Le pendule balistique
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Le pendule balistique
LE PENDULE BALISTIQUE ´ OLIVIER CASTERA R´ esum´ e. Le pendule balistique permet de mesurer la vitesse d’un projectile. Table des mati` eres 1. Premier exemple de pendule balistique 1.1. Introduction 1.2. Relation fondamentale de la dynamique 1.3. Conservation de l’´energie m´ecanique 1.4. Conservation de l’´energie totale 2. Deuxi`eme exemple de pendule balistique 2.1. Introduction 2.2. Conservation du moment cin´etique 2.3. Relation fondamentale de la dynamique 2.4. Conservation de l’´energie m´ecanique 2.5. Conservation de l’´energie totale 1 1 2 3 3 4 4 4 6 7 8 1. Premier exemple de pendule balistique 1.1. Introduction. Un solide (S) au repos dans le r´ef´erentiel terrestre, est suspendu par l’interm´ediaire d’une corde. y o (p) x (S) v b g Figure 1. Pendule balistique avant l’impact Date: 4 mai 2015. 1 ´ OLIVIER CASTERA 2 Le centre du r´ef´erentiel (o, x, y, z) est le point d’accrochage de la corde. On d´esigne par M la masse du solide (S), et par g son centre de gravit´e. A l’instant t1 , un projectile (p) de masse m et de dimensions n´egligeables, heurte le solide (S) avec une vitesse v, et s’arrˆete a` l’int´erieur du solide (S). L’ensemble (S)+(p) prend alors la vitesse horizontale V . 1.2. Relation fondamentale de la dynamique. 1.2.1. Avant l’impact. Le syst`eme ´etudi´e est le solide (S). De t0 `a t1 , le poids du solide (S) est ´equilibr´e par la tension de la corde, T = −P S . La RFD s’´ecrit : d p = T + PS dt S =0 Le syst`eme ´etudi´e est le projectile (p), qui ne subit que son propre poids P p : d (mv) = P p dt d (vx i + vy j) = −g j dt qui donne les ´equations de la trajectoire du projectile avant l’impact, vx = vx (t0 ) vy (t1 ) = −g(t1 − t0 ) + vy (t0 ) 1.2.2. Pendant l’impact. Le syst`eme ´etudi´e est l’ensemble form´e par le solide (S) et le projectile (p), et not´e (S) + (p). La RFD s’´ecrit : X d pSyst`eme = F ext dt De t1 `a t+ 1 , le projectile (p) se trouve dans le solide (S), le poids de l’ensemble est not´e P S+p . La RFD s’´ecrit : Z t+1 X F ext dt = ∆t+1 →t1 pS+p t1 Z t+ 1 t1 t+ (T + P S+p )dt = [p(S) + p(p) ]t11 = [p(S) + p(p) ]t+1 − [p(S) + p(p) ]t1 = (M + m)V − mv (1) On projette l’´equation (1) sur les axes (ox) et (oy). Nous faisons l’approximation que pendant l’impact, la vitesse du syst`eme (S) + (p) est LE PENDULE BALISTIQUE 3 purement horizontale, Vy = 0, et que la composante horizontale de la tension T est n´egligeable : (M + m)Vx − mvx = 0 Z t+1 (T − PS+p )dt − mvy = t1 Sur l’axe (oy), la tension s’oppose au poids et `a la variation de quantit´e de mouvement verticale du projectile : m vx (2) Vx = M +m m dvy = −T + PS+p dt 1.3. Conservation de l’´ energie m´ ecanique. On choisit la position initiale du centre de gravit´e du syst`eme (S) + (p) comme origine de l’´energie potentielle. Juste apr`es l’impact, l’´energie potentielle du syst`eme (S) + (p) est nulle et l’´energie cin´etique est maximale, et vaut : 1 Ec = (M + m)Vx2 2 On mesure la hauteur maximale h atteinte par le syst`eme (S) + (p) a` l’instant t2 . En h, l’´energie cin´etique est nulle et l’´energie potentielle est maximale. En n´egligeant les frottements de l’air et de la corde sur l’axe, la conservation de l’´energie m´ecanique s’´ecrit 1 : Em´eca (t2 ) = Em´eca (t1 ) Ecin (t2 ) + Epot (t2 ) = Ecin (t1 ) + Epot (t1 ) 1 (M + m)Vx2 = (M + m)gh 2 p Vx = 2gh et avec l’´equation (2), vx = M + mp 2gh m (3) 1.4. Conservation de l’´ energie totale. On peut `a pr´esent calculer le transfert de chaleur Q du projectile (p) au solide (S) lors de l’impact. On ´ecrit la conservation de l’´energie totale lors du transfert d’´energie cin´etique au moment de l’impact : 1 1 Q = mvx2 − (M + m)V 2 2 2 1. Voir M´ecanique classique.pdf ´ OLIVIER CASTERA 4 Avec l’´equation (2), 1 1 m2 Q = mvx2 − (M + m) v2 2 2 (M + m)2 x 1 2 m = mvx 1 − 2 M +m et avec l’´equation (3), 1 (M + m)2 m Q= 2gh 1 − 2 m M +m M +m = (M + m) − 1 gh m M = (M + m) gh m 2. Deuxi` eme exemple de pendule balistique 2.1. Introduction. Un solide (S) au repos dans le r´ef´erentiel terrestre, peut tourner sans frottement autour d’un axe horizontal (oz). On d´esigne par M sa masse et par J(oz) son moment d’inertie par rapport `a l’axe (oz). A l’instant t1 , un projectile (p) de masse m et de dimensions n´egligeables, heurte le solide (S) avec une vitesse v, et s’arrˆete `a l’int´erieur du solide (S). Le syst`eme ´etudi´e est l’ensemble solide (S) et projectile (p). y o x z (p) v r l = og l′ = oh α b b g h (S) 2.2. Conservation du moment cin´ etique. Soit o le point de contact du solide (S) avec l’axe (oz). Le th´eor`eme du moment cin´etique par rapport au point o appliqu´e au syst`eme (S) + (p) s’´ecrit : X d L/o Syst`eme = M /o (F ext ) dt LE PENDULE BALISTIQUE 5 2.2.1. Avant l’impact. On note R la r´eaction sur l’axe (oz). De t0 `a t1 , le th´eor`eme du moment cin´etique s’´ecrit : d L/o Syst`eme = M /o (P S ) + M /o (P p ) + M /o (R) dt Les moments par rapport au point o du poids du solide (S) et de la r´eaction sur l’axe (oz) sont identiquement nuls, car leur direction commune passent par le point o. Par cons´equent, d L/o Syst`eme = M /o (P p ) dt En notant ρ le rayon vecteur du projectile (p), d (ρ × mv) = ρ × P p dt d ρ × m (vx i + vy j) = ρ × −mg j dt d (vx i + vy j) = −g j dt qui donne les ´equations de la trajectoire du projectile avant l’impact, vx = vx (t0 ) vy (t1 ) = −g(t1 − t0 ) + vy (t0 ) 2.2.2. Pendant l’impact. De t1 `a t+ eor`eme 1 , le projectile (p) se trouve dans le solide (S). Le th´ du moment cin´etique s’´ecrit : d L/o Syst`eme = M /o (P S+p ) + M /o (R) dt Le centre de gravit´e g ′ de l’ensemble (S) + (p) se place a` la verticale du point o, si bien que le poids de l’ensemble a un moment nul par rapport `a l’axe (oz). Le moment de la r´eaction sur l’axe (oz) reste nulle pour les mˆemes raisons que pr´ec´edemment. Par cons´equent, le moment cin´etique du syst`eme se conserve. En notant r le rayon vecteur du point o` u s’arrˆete le projectile, d L/o Syst`eme = 0 dt L/o Syst`eme (t+1 ) = L/o Syst`eme (t1 ) J(oz) ω + r × m(ω × r) = r × mv J(oz) ωk + rer × m(ωk × rer ) = rer × m(vx i + vy j) J(oz) ωk + mωr 2 er × (k × er ) = mr(vx er × i + vy er × j) J(oz) ωk+mωr 2[(er ·er )k−(er ·k)er ] = mr[vx sin(er , i) + vy sin(er , j)]k ωk J(oz) + mr 2 = mr[vx sin( π2 +α)+vy sin(α+π)]k ω J(oz) + mr 2 = mr(vx cos α − vy sin α) ´ OLIVIER CASTERA 6 On pose l′ = r cos α = oh : ω J(oz) + m l′2 cos2 α = ml′ (vx − vy tan α) ω= ml′ (vx − vy tan α) l′2 J(oz) + m cos2 α (4) 2.3. Relation fondamentale de la dynamique. On peut `a pr´esent utiliser la RFD pour trouver l’expression de la r´eaction sur l’axe (oz) X d pSyst`eme = F ext dt Z t+1 pSyst`eme (t+1 ) − pSyst`eme (t1 ) = R + P S + P p dt t1 Mω × og + mω × r − mv = Z t+ 1 R + P S+p dt t1 On pose l = og, la distance de l’axe (oz) au centre de gravit´e g du solide (S). La r´eaction sur l’axe (oz) s’oppose aux poids et a` la variation de quantit´e de mouvement verticale du projectile. En utilisant les coordonn´ees de r : r = −r sin αi − r cos αj et en appelant q la percussion, telle que : q = R + P S+p nous obtenons, ′ Mωk×(−l)j +mωk×l (− tan αi−j) − m(vx i+vy j) = ′ ′ Mωli − mωl tan αj + mωl i − mvx i − mvy j = Z ′ Mωl + mωl − mvx = t+ 1 qx dt t0 Z −mωl′ tan α − mvy = t+ 1 qy dt t0 Cherchons les conditions pour annuler la percussion : ( Mωl + mωl′ − mvx = 0 −mωl′ tan α − mvy = 0 Z Z t+ 1 q dt t0 t+ 1 qx i + qy j dt t0 LE PENDULE BALISTIQUE ( mvx Ml + ml′ α = 0 et vy = 0 ω= 7 (5) Pour annuler la percussion il faut que le projectile atteigne l’axe (oy), ce qui correspond `a la condition α = 0. Il faut aussi que la vitesse verticale du projectile soit nulle au moment de l’impact, vy = 0, autrement dit qu’il percute le solide lorsqu’il est au sommet de sa trajectoire. Enfin, en posant α = 0 dans l’´equation (4), et en utilisant l’´equation (5), nous pouvons trouver la derni`ere condition : ml′ vx mvx = ′2 J(oz) + ml Ml + ml′ J(oz) + ml′2 = Ml + ml′ ′ l J(oz) = Ml l′ J(oz) l′ = Ml Il faut donc que le projectile heurte le solide `a la hauteur l′ ´egale a` celle du pendule simple synchrone. 2.4. Conservation de l’´ energie m´ ecanique. On choisit la position initiale du centre de gravit´e du syst`eme (S) + (p) comme origine de l’´energie potentielle. Juste apr`es l’impact, l’´energie potentielle du syst`eme est nulle et l’´energie cin´etique est maximale. En utilisant l’´equation (4), elle s’´ecrit : 1 1 Ec = J(oz) ω 2 + ml′2 ω 2 2 2 2 ml′ (vx − vy tan α) 1 = J(oz) + ml′2 2 l′2 J(oz) + m cos2 α Dans le cas o` u la percussion est nulle, α = 0, vy = 0, l′ = J(oz) /(Ml), 2 J (oz) " # m vx J(oz) 2 1 Ml Ec = J(oz) + m 2 2 Ml J(oz) J(oz) + m Ml ´ OLIVIER CASTERA 8 2 J (oz) m2 vx2 1 Ml Ec = × 2 J(oz) 2 J(oz) + m Ml 2 2 J(oz) m vx 1 = × 22 2 M l + J(oz) m On mesure la hauteur maximale h atteinte par le centre de gravit´e de l’ensemble (S) + (p) `a l’instant t2 . En h, l’´energie cin´etique est nulle et l’´energie potentielle est maximale. En n´egligeant les frottements de l’air et du solide (S) sur l’axe (oz), la conservation de l’´energie m´ecanique s’´ecrit : Em´eca (t2 ) = Em´eca (t1 ) Ecin (t2 ) + Epot (t2 ) = Ecin (t1 ) + Epot (t1 ) J(oz) m2 vx2 1 × 22 = (M + m)gh 2 M l + J(oz) m s 1 2(M + m)gh(M 2 l2 + J(oz) m) vx = m J(oz) (6) 2.5. Conservation de l’´ energie totale. On peut `a pr´esent calculer le transfert de chaleur Q du projectile (p) au solide (S) lors de l’impact. On ´ecrit la conservation de l’´energie totale lors du transfert d’´energie cin´etique au moment de l’impact : J(oz) m2 vx2 1 1 Q = mvx2 − × 2 2 2 2 M l + J(oz) m J(oz) m 1 1− 2 2 mvx2 = 2 M l + J(oz) m 1 M 2 l2 = × 22 mvx2 2 M l + J(oz) m et avec l’´equation (6), 2(M + m)gh(M 2 l2 + J(oz) m) 1 M 2 l2 × 22 × 2 M l + J(oz) m J(oz) m 2 2 M l gh = (M + m) J(oz) m Q= E-mail address: [email protected] URL: http://o.castera.free.fr/