PFD et dynamique Newtonienne

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Kikoo <3 Bieber
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PFD et dynamique Newtonienne

par Kikoo <3 Bieber » 01 Déc 2012, 17:31

Salut,

J'ouvre ce topic dans l'optique de poser des questions qui tiennent d'un domaine plus ou moins général en physique, comme je le fais assez souvent dans la partie "maths" du forum.

En considérant le mouvement de chute d'un objet de masse m soumis à une force de friction , j'établis tout d'abord sa vitesse limite , sa vitesse réduite (si je ne me suis pas trompé) puis on me demande de déterminer la vitesse en fonction de la distance z parcourue (j'ai projeté mon PFD sur un axe vertical Oz).
On me dit qu'il suffit de reprendre mon équa diff écrite à la première question : et d'écrire en fonction de v et .
Je sais que d'où , mais après, comment faire ? :hum:
J'ai pas bien compris le truc, car si je remplace dans l'équa diff, cela me donne du v dépendant de deux variables, puis du dt par-ci, on s'y retrouve plus.

Merci d'avance.



Skullkid
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par Skullkid » 01 Déc 2012, 17:53

Salut, si tu substitues comme on te le conseille, tu obtiens mg - kv² = mv*dv/dz qui est une équa diff sur la fonction z -> v(z).

Kikoo <3 Bieber
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par Kikoo <3 Bieber » 01 Déc 2012, 17:54

Salut,

C'est ce que j'ai et... c'est tout ? :D On intègre par rapport à z ?

PS : ah ben oui, question conne :) Merci pour ta réponse Skullkid !

Skullkid
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par Skullkid » 01 Déc 2012, 18:22

Tu peux aussi donner une interprétation énergétique à cette équation en la réécrivant dE = -kv²dz avec E l'énergie mécanique : la variation d'énergie mécanique est égale au travail des forces non conservatives.

Kikoo <3 Bieber
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par Kikoo <3 Bieber » 01 Déc 2012, 18:28

Je crois qu'on a vu ce théorème en cours :)

Je trouve d'où sous réserve de fautes.

Mathusalem
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par Mathusalem » 01 Déc 2012, 19:09

Kikoo <3 Bieber a écrit:Je crois qu'on a vu ce théorème en cours :)

Je trouve d'où sous réserve de fautes.


C'est intéressant comme résultat :

1. en z = 0, la vitesse est de
2. Au-delà d'une certaine altitude, la vitesse n'existe pas (racine négative)
3. L'expression de la vitesse soustrait des grandeurs de dimension différentes
4. L unité de k étant le kg/sec, on apprend que la vitesse a une unité de secondes par logarithmes de newton.

Je crois que t'as fait une faute :we:

Kikoo <3 Bieber
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par Kikoo <3 Bieber » 01 Déc 2012, 19:11

Jolie façon de dire que mon résultat est inhomogène :girl2: (arrghhh j'oublie à chaque fois de vérifier, et dire que je le faisais tout le temps l'année dernière).

Je vais revoir ma formule après manger, merci ;)

Mathusalem
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par Mathusalem » 01 Déc 2012, 19:41

Kikoo <3 Bieber a écrit:Jolie façon de dire que mon résultat est inhomogène :girl2: (arrghhh j'oublie à chaque fois de vérifier, et dire que je le faisais tout le temps l'année dernière).

Je vais revoir ma formule après manger, merci ;)


Il faut combien de conditions initiales pour déterminer complètement la solution d'une équation différentielle du premier ordre ?

Cette condition initiale elle est censée fixer quoi qui manque dans ton calcul lorsque tu sépares les variables et que tu intègres ? :)


EDIT: Question bonus : L'allemand Felix Baumgartner a fait le saut le plus haut du monde depuis 39 km au-dessus de la Terre. Est-ce qu'à ton avis sa vitesse correspondait à la formule que tu as dérivé plus haut ? Si non, pourquoi, et quelle serait la tête de la courbe de v(z) dans son cas ?

Kikoo <3 Bieber
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par Kikoo <3 Bieber » 02 Déc 2012, 12:16

Salut Mathusalem !

Généralement, on a besoin d'une condition pour une EDO du premier ordre.
Là il me faut une condition m'indiquant la vitesse de départ, pour qu'on puisse avoir une solution convenable ! Donc j'ai :


en intégrant, j'ai :


Je mène mon calcul, j'obtiens :


Puis je fixe une condition initiale v(0)=0 d'où d'où

Donc au final mon expression devient :



Le pb est que j'ai toujours une possibilité de radicande négatif, donc je fixe des valeurs absolues :D

C'est vraiment très bricolé comme formule...

Mais je suis sûr de poser des calculs pour rien et que le vrai problème se situe au niveau de l'intégration... :look2:

Mathusalem
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par Mathusalem » 02 Déc 2012, 13:10

Quelques points :

Lorsque tu intègres, à droite, la variable est la vitesse. Ce que tu écris, c'est l'intégrale définie entre le point ou la vitesse vaut 0, et celui ou la vitesse vaut z. Ca n'a pas le sens que tu pensais lui donner :)

Ensuite, pour la constante d'intégration, ça vient du fait que tu ne fixes pas les bornes. C'est ta condition initiale qui va t'aider. Si tu as les bornes d'intégration fixes, tu n'as pas de constantes d'intégration et tu évalues ta primitive aux bornes.

Donc tu peux écrire formellement :



Puis tu comprimes cela en une seule constante d'intégration



Je t'invite à remarquer que la dérivée interne comporte un signe négatif, d'où le signe moins devant le logarithme.

Ensuite tu inverses ta formule, qui maintenant a un signe moins sur l'exponentielle, et ta condition initiale fixera une dimension devant l'exponentielle, en sachant que exp[ln[x]] = x. Puisque implicitement tu prends ton axe z vertical avec 0 fixé à la position initiale de la masse, la direction positive eetant vers le bas, tu trouveras effectivement que v(0) = 0 ( tu le fixes ) mais aussi que v(infini) = \sqrt{mg}{k} car z croît avec le temps, et tu as déjà trouvé v(t-> infini)

Kikoo <3 Bieber
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par Kikoo <3 Bieber » 02 Déc 2012, 15:37

Aaah d'accord, il y a plusieurs choses que j'ai manqué sur ce coup-ci :hum:
D'abord les bornes d'intégration : Il faut que j'intègre de 0 à v(z)
En supposant que je ne fais que primitiver, alors j'effectue le calcul que tu m'as posé :)

Et oui, j'avais oublié le signe moins en intégrant !

Merci beaucoup Mathusalem :)

Mathusalem
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par Mathusalem » 02 Déc 2012, 15:52

Tu devrais donc trouver, si je ne me suis pas gourré



Ce qui donne bien la valeur en z=0 et l'asymptote en l'infini. Et alors pour Felix Baumgartner ?

Kikoo <3 Bieber
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par Kikoo <3 Bieber » 02 Déc 2012, 15:59

C'est ce que j'ai trouvé également :)))

Hmmm, à 39 km au-dessus de la Terre, il y a très peu de gaz dans l'atmosphère (on est pas un peu dans l'espace par hasard ? :p), donc nous pouvons négliger les forces de frottement, ou prendre un autre modèle (genre peut-être force de friction fluide en kv au lieu de kv²).
Du coup, la vitesse en fonction du temps prendrait le profil de "l'opposé d'une exponentielle décroissante", au lieu d'être une tangente hyperbolique. On peut remarquer que dans ce dernier cas, le régime transitoire est atteint bien plus rapidement que lorsqu'on néglige les frottements.
Si on veut la vitesse en fonction de la position, je peux essayer de remanier les calculs !

Mathusalem
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par Mathusalem » 02 Déc 2012, 17:45

Es-tu bien sûr de la forme de la fonction v(z) dans ce cas ?

Toi tu as dans ton calcul une densité d'air constante, qui vient du fait que tu prends k constant. Or, à 39km de hauteur, la densité est quasi-nulle donc il est en chute libre. Cependant, plus il s'approche de la Terre, plus ton modèle est correct.

Est-ce qu'il est possible qu'il atteigne une vitesse plus élevée que la vitesse terminale que tu as calculé ?

Kikoo <3 Bieber
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par Kikoo <3 Bieber » 02 Déc 2012, 18:29

Aurais-je aussi oublié la poussée d'Archimède ? :)

Sinon je vois ce que tu veux dire : k varie de manière continue plus l'objet s'approche de la surface de la Terre. Mais sinon, je ne vois pas ce qu'on pourrait dire d'autre !

Mathusalem
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par Mathusalem » 02 Déc 2012, 19:31

Au début, il est en chute libre sans friction et donc peut atteindre en théorie n'importe quelle vitesse.D'ailleurs, il a percé le mur du son. Ta vitesse finale calculée vaut environ 270 km/h contre plus de 1000 atteint par le sauteur. Mais, plus il se rapproche de la Terre, plus l'air devient dense et plus son 'PFD' :) se rapproche de ton modèle, dans lequel sa vitesse finale est de 270 km/h.

Mais puisque sa vitesse initiale était bien plus large, il commence à freiner à mort quand il rentre dans l'atmosphère, jusqu'à atteindre la vitesse de 270 km/h. D'ailleurs il a fallu qu'il trouve un moyen pour s'isoler de la chaleur, parce qu'il a du tellement freiner qu'il était pas loin de prendre feu :p

Donc le profile de vitesse serait d'abord une parabole qui monte puis qui se fait applatir par l'exponentielle : croissance parabolique, maximum, décroissance exponentielle vers l'asymptote v = 270 km/h.

Black Jack

par Black Jack » 02 Déc 2012, 20:00

Kikoo <3 Bieber a écrit:Aurais-je aussi oublié la poussée d'Archimède ? :)

Sinon je vois ce que tu veux dire : k varie de manière continue plus l'objet s'approche de la surface de la Terre. Mais sinon, je ne vois pas ce qu'on pourrait dire d'autre !


Quelques infos :

http://eduscol.education.fr/obter/appliped/circula/theme/atmos231.htm

Pression vers 39 km d'altitude : 26 hectoPascal

http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=File:Comparison_US_standard_atmosphere_1962.svg&page=

Température à 39 km d'altitude : 250 K environ (on ne peut pas juger de la pression et le masse vol à 39 km d'altitude à cause de l'échelle de ce dessin, mais c'est OK pour la température)

de PV = nRT

à T = 273 K et P = 101300 Pa, on a masse vol de l'air = 1,3 kg/m³ (environ)

à T = 250 K et P = 2600 Pa, la masse volumique de l'air est : 1,3 * 2600/101300 * 273/250 = 0,036 kg/m³

le "k" des formules pour la force de frottement est : k = (1/2).Rho(air) * Cx * S

k(au sol)/k(à 39000m) = 1,3/0,036 = 36 (environ)

Donc k varie d'un facteur 36 (environ) entre 39000 m d'altitude et le sol.

Remarque que la vitesse limite varie avec la racine carrée de k.

:zen:

Kikoo <3 Bieber
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par Kikoo <3 Bieber » 03 Déc 2012, 22:40

Merci pour vos réponses Mathusalem et Black Jack !
Je me suis décidé à travailler plus, donc j'avais bien vu vos messages mais j'ai fait passer la chimie (beurk) en priorité.
Je vous répondrai plus en détail quand cela sera possible :)

Mathusalem
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par Mathusalem » 03 Déc 2012, 23:23

Kikoo <3 Bieber a écrit:j'ai fait passer la chimie (beurk) en priorité.


La chimie c'est très bien. C'est de la physique mais avec les odeurs.

Kikoo <3 Bieber
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par Kikoo <3 Bieber » 04 Déc 2012, 17:44

Mouais je vois pas en quoi la chimie ça peut ressembler quelque part à de la physique, ou peut-être que pour l'instant on fait pas des trucs intéressants enfin bref :p

Je me suis aperçu que j'avais fait une petite coquille dans mon calcul d'une primitive de
Il s'agit de n'est-ce pas ? D'où il me semble.

Sinon, j'ai réfléchi au problème de Monsieur Baumgartner : voici une vidéo de sa chute libre. On peut essayer de relever les valeurs de sa vitesse en fonction du temps lors des premières minutes, et d'estimer l'altitude à laquelle il se trouve, pour constater que le coefficient k de la force de friction est alors assez faible à une certaine hauteur. Après ça dépend de la surface qu'il oppose au mouvement, et de la combinaison qu'il a.

 

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