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Physique · Prépa concours post-bac — ENA Architecture

Oscillations mécaniques (Pendule élastique et pendule simple)

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

  • Pendule élastique (horizontal) : L'équation différentielle est $\frac{d^2x}{dt^2} + \frac{k}{m}x = 0$. La période propre est $T_0 = 2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}$.
  • Pendule simple : Pour de faibles oscillations ($\theta$ petit), $\sin\theta \approx \theta$ (en rad). L'équation est $\frac{d^2\theta}{dt^2} + \frac{g}{l}\theta = 0$. La période propre est $T_0 = 2\pi\sqrt{\frac{l}{g}}$.
  • Solution générale : $x(t) = X_{max} \cos(\frac{2\pi}{T_0}t + \varphi)$.

Méthodes à maîtriser

  1. Établir l'équation différentielle : Appliquer la 2ème loi de Newton dans un référentiel terrestre galiléen. Projeter sur l'axe du mouvement.
  2. Identifier $T_0$ : Par identification avec la forme $\ddot{x} + \omega_0^2 x = 0$ où $\omega_0 = \frac{2\pi}{T_0}$.
  3. Conditions initiales : Utiliser $x(0)$ et $v(0)$ pour trouver $X_{max}$ et $\varphi$.

Exemples corrigés

  • Calcul de $T_0$ : Si $m=100g$ et $k=10N/m$, alors $T_0 = 2\pi\sqrt{0.1/10} = 2\pi\sqrt{0.01} = 0.2\pi \approx 0.63s$.
  • Vérification d'une solution : Dériver deux fois $x(t) = X_m \cos(\omega_0 t + \varphi)$ et remplacer dans l'équation différentielle.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de convertir les unités (masse en kg, longueur en m).
  • Utiliser la calculatrice en mode "Degré" au lieu de "Radian" pour le pendule simple.
  • Confondre la période propre $T_0$ avec la période du mouvement si des frottements existent.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Oscillations mécaniques (Pendule élastique et pendule simple)

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Quelle est l'unité de la période propre $T_0$ ?

❓ Questions fréquentes

C'est quoi la différence entre pendule élastique et pendule simple ?
  1. Le pendule élastique dépend de la masse $m$ et de la raideur $k$ du ressort ($T_0 = 2\pi\sqrt{m/k}$).
  2. Le pendule simple dépend de la longueur $l$ du fil et de la pesanteur $g$ ($T_0 = 2\pi\sqrt{l/g}$), la masse n'intervient pas.

💡 À retenir : Le pendule élastique est régi par une force de rappel élastique, le pendule simple par la composante tangentielle du poids.

kifach n7seb l'amplitude X{max} ila 3tani ghir l'équation différentielle ?

L'équation différentielle ne donne pas l'amplitude. Il te faut obligatoirement les conditions initiales à $t=0$ :

  1. La position initiale $x(0) = X_{max} \cos(\varphi)$.
  2. La vitesse initiale $v(0) = -X_{max} \omega_0 \sin(\varphi)$.

💡 À retenir : L'amplitude est une constante déterminée uniquement par l'énergie donnée au système au départ.

Est-ce que la masse change la période du pendule simple ?

Non. Dans la formule $T_0 = 2\pi\sqrt{l/g}$, la masse $m$ n'apparaît pas. Que la bille soit lourde ou légère, la période reste la même si la longueur est identique.

💡 À retenir : La période d'un pendule simple est indépendante de la masse du corps suspendu.

wach l'équation différentielle dyal pendule simple katb9a s7i7a ila kanat zawya kbira ?

Non, l'approximation $\sin\theta \approx \theta$ n'est valable que pour des angles faibles (généralement $\theta < 15^\circ$ ou $0.26$ rad). Si l'angle est grand, l'équation devient non linéaire et le mouvement n'est plus un oscillateur harmonique.

💡 À retenir : L'isochronisme des petites oscillations n'est vrai que pour des angles faibles.

Pourquoi on utilise la 2ème loi de Newton pour trouver l'équation ?

Parce que c'est la méthode fondamentale pour relier les forces appliquées au système (ressort, poids, tension) à son accélération $a = \ddot{x}$.

💡 À retenir : $\sum \vec{F} = m\vec{a}$ est le point de départ de toute étude dynamique.

Comment déterminer la phase à l'origine varphi ?
  1. Calcule $\omega_0 = 2\pi/T_0$.
  2. Utilise $x(0) = X_{max} \cos(\varphi)$ et $v(0) = -X_{max} \omega_0 \sin(\varphi)$.
  3. Fais le rapport $v(0)/x(0)$ pour éliminer $X_{max}$ et trouver $\tan(\varphi)$.

💡 À retenir : La phase dépend du choix de l'origine des temps.

Est-ce que le ressort doit être horizontal pour le pendule élastique ?

Non, il peut être vertical. Dans ce cas, la position d'équilibre est décalée de $\Delta l = mg/k$, mais l'équation différentielle reste la même en posant $x$ comme l'écart par rapport à cette nouvelle position.

💡 À retenir : La gravité ne modifie pas la période propre d'un pendule élastique vertical.

kifach n3ref wach l'oscillateur harmonique ?

Un oscillateur est harmonique si son équation différentielle est de la forme $\ddot{x} + \omega_0^2 x = 0$. Sa solution est alors une fonction sinusoïdale parfaite.

💡 À retenir : Si l'équation contient un terme de frottement, ce n'est plus un oscillateur harmonique (c'est un oscillateur amorti).

Quelle est l'unité de la raideur k ?

L'unité est le Newton par mètre ($N/m$).

💡 À retenir : $k$ mesure la capacité du ressort à résister à la déformation.

Est-ce que la période dépend de l'amplitude ?

Pour un oscillateur harmonique idéal, non. C'est la propriété d'isochronisme des petites oscillations.

💡 À retenir : $T_0$ est une caractéristique propre du système, indépendante de la manière dont on le lance.

Si on change de planète, T0 change pour le pendule simple ?

Oui, car $g$ change. Sur la Lune, $g$ est plus faible, donc $T_0$ sera plus grande (le pendule oscille plus lentement).

💡 À retenir : $T_0$ est inversement proportionnelle à la racine carrée de $g$.

Comment lire T0 sur un graphique x(t) ?

C'est la durée entre deux passages successifs par la position d'équilibre dans le même sens, ou la distance entre deux crêtes consécutives.

💡 À retenir : La période est la durée d'un cycle complet.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un pendule élastique est constitué d'un ressort de raideur $k = 20 N/m$ et d'un solide de masse $m = 0.2 kg$. On écarte le solide de $x = 0.05 m$ et on le lâche sans vitesse initiale.

  1. Établir l'équation différentielle du mouvement.
  2. Déterminer la période propre $T_0$.
  3. Déterminer l'équation horaire $x(t)$.
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Exercice 2

Un pendule simple de longueur $l = 1 m$ oscille avec un angle maximal $\theta_{max} = 0.1 rad$.

  1. Vérifier la condition des petites oscillations.
  2. Calculer la fréquence $f_0$.
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Exercice 3

Un pendule élastique a une période $T_1$. Si on remplace la masse $m$ par $4m$, quelle devient la nouvelle période $T_2$ ?

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