Exercice 1 (11 points)

Documents pareils
Les correcteurs accorderont une importance particulière à la rigueur des raisonnements et aux représentations graphiques demandées.

Université de Caen. Relativité générale. C. LONGUEMARE Applications version mars 2014

Oscillations libres des systèmes à deux degrés de liberté

Fonctions de deux variables. Mai 2011

Chapitre 5. Le ressort. F ext. F ressort

DYNAMIQUE DE FORMATION DES ÉTOILES

Algorithmes pour la planification de mouvements en robotique non-holonome

Examen d informatique première session 2004

Fonctions de plusieurs variables

FORD C-MAX + FORD GRAND C-MAX CMAX_Main_Cover_2013_V3.indd /08/ :12

Circuits RL et RC. Chapitre Inductance

Fonctions de plusieurs variables. Sébastien Tordeux

TD 9 Problème à deux corps

Fonctions de plusieurs variables

AC AB. A B C x 1. x + 1. d où. Avec un calcul vu au lycée, on démontre que cette solution admet deux solutions dont une seule nous intéresse : x =

Sujet proposé par Yves M. LEROY. Cet examen se compose d un exercice et de deux problèmes. Ces trois parties sont indépendantes.

Correction de l examen de la première session

Cours Fonctions de deux variables

SYSTEME DE PARTICULES. DYNAMIQUE DU SOLIDE (suite) Table des matières

Correction du baccalauréat S Liban juin 2007

CHAPITRE V SYSTEMES DIFFERENTIELS LINEAIRES A COEFFICIENTS CONSTANTS DU PREMIER ORDRE. EQUATIONS DIFFERENTIELLES.

Cours de méthodes de scoring

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

Erratum de MÉCANIQUE, 6ème édition. Introduction Page xxi (milieu de page) G = 6, m 3 kg 1 s 2

Bien lire l énoncé 2 fois avant de continuer - Méthodes et/ou Explications Réponses. Antécédents d un nombre par une fonction

* très facile ** facile *** difficulté moyenne **** difficile ***** très difficile I : Incontournable T : pour travailler et mémoriser le cours.

1 Mise en application

8 Ensemble grand-canonique

Exemples de problèmes et d applications. INF6953 Exemples de problèmes 1

Calculs de probabilités avec la loi normale

Les travaux doivent être remis sous forme papier.

CONCOURS D ENTREE A L ECOLE DE 2007 CONCOURS EXTERNE. Cinquième épreuve d admissibilité STATISTIQUE. (durée : cinq heures)

ÉVALUATION FORMATIVE. On considère le circuit électrique RC représenté ci-dessous où R et C sont des constantes strictement positives.

Correction de l épreuve CCP 2001 PSI Maths 2 PREMIÈRE PARTIE ) (

Exercices - Polynômes : corrigé. Opérations sur les polynômes

TD de Physique n o 1 : Mécanique du point

C est à vous qu il appartient de mettre en place des conditions optimales pour permettre la meilleure réalisation possible.

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

Programmation linéaire

Résolution d équations non linéaires

CHAPITRE IV Oscillations libres des systèmes à plusieurs degrés de liberté

Quantité de mouvement et moment cinétique

Votre Réseau est-il prêt?

Voyez la réponse à cette question dans ce chapitre.

Simulation de variables aléatoires

Cours IV Mise en orbite

Equations Différentielles

Fibonacci et les paquerettes

Sur les vols en formation.

EXERCICES - ANALYSE GÉNÉRALE

Chafa Azzedine - Faculté de Physique U.S.T.H.B 1

Chapitre 7. Circuits Magnétiques et Inductance. 7.1 Introduction Production d un champ magnétique

Fonctions de plusieurs variables, intégrales multiples, et intégrales dépendant d un paramètre

a et b étant deux nombres relatifs donnés, une fonction affine est une fonction qui a un nombre x associe le nombre ax + b

I - Quelques propriétés des étoiles à neutrons

Théorème du point fixe - Théorème de l inversion locale

TRAVAUX DIRIGÉS DE M 6

Repérage de l artillerie par le son.

3 Approximation de solutions d équations

Logistique, Transports

BACCALAURÉAT GÉNÉRAL SESSION 2012 OBLIGATOIRE MATHÉMATIQUES. Série S. Durée de l épreuve : 4 heures Coefficient : 7 ENSEIGNEMENT OBLIGATOIRE

F411 - Courbes Paramétrées, Polaires

1 Première section: La construction générale

I - PUISSANCE D UN POINT PAR RAPPORT A UN CERCLE CERCLES ORTHOGONAUX POLES ET POLAIRES

PROGRAMME D HABILETÉS EN FAUTEUIL ROULANT (WSP-F)

Différentiabilité ; Fonctions de plusieurs variables réelles

Systèmes asservis non linéaires

Chapitre 3. Quelques fonctions usuelles. 1 Fonctions logarithme et exponentielle. 1.1 La fonction logarithme

JEUX NUMÉRIQUES AVEC LE CHAOS

3ème séance de Mécanique des fluides. Rappels sur les premières séances Aujourd hui : le modèle du fluide parfait. 2 Écoulements potentiels

LES LOIS PHYSIQUES APPLIQUÉES AUX DEUX-ROUES : 1. LA FORCE DE GUIDAGE

Quantification Scalaire et Prédictive

Corrigé du baccalauréat S Pondichéry 12 avril 2007

L ANALYSE EN COMPOSANTES PRINCIPALES (A.C.P.) Pierre-Louis GONZALEZ

Équivalence masse-énergie

TSTI 2D CH X : Exemples de lois à densité 1

Vision industrielle et télédétection - Détection d ellipses. Guillaume Martinez 17 décembre 2007

La gravitation universelle

Projet de parc éolien en mer au large de Courseulles-sur-Mer

Programmation linéaire et Optimisation. Didier Smets

Chapitre. Chapitre 12. Fonctions de plusieurs variables. 1. Fonctions à valeurs réelles. 1.1 Définition. 1.2 Calcul de dérivées partielles

Filtrage stochastique non linéaire par la théorie de représentation des martingales

= 1 si n = m& où n et m sont souvent des indices entiers, par exemple, n, m = 0, 1, 2, 3, 4... En fait,! n m

Modélisation intégrée des écoulements pour la gestion en temps réel d'un bassin versant anthropisé

Cours d Analyse I et II

Intégration et probabilités TD1 Espaces mesurés Corrigé

Les fonction affines

Maîtrise universitaire ès sciences en mathématiques

CHAPITRE. Le mouvement en une dimension CORRIGÉ DES EXERCICES

Texte Agrégation limitée par diffusion interne

Cryptographie et fonctions à sens unique

Master of Science en mathématiques

Baccalauréat ES/L Amérique du Sud 21 novembre 2013

Les Conditions aux limites

Lecture graphique. Table des matières

SINE QUA NON. Découverte et Prise en main du logiciel Utilisation de bases

Ernst C. G. Stueckelberg. Thermodynamique statistique. Livre V. Presses polytechniques et universitaires romandes

P17- REACTIONS NUCLEAIRES

Chapitre 6: Moment cinétique

Théorie des Graphes Cours 3: Forêts et Arbres II / Modélisation

Transcription:

1 Examen de Mécanique Analytique Professeur: P. De Los Rios Epreuve du 22 janvier 28 - Durée: 4 heures - Sans document Exercice 1 (11 points) g θ r m 1 y x k, l m 2 Deux billes sont reliées par un ressort de raideur k et de longueur au repos l ; l une, de masse m 1, se déplace sur un cercle horiontal de rayon r, alors que l autre, de masse m 2, se déplace selon un rail vertical. On considère uniquement le cas l > r. La gravitation est prise en compte. 1. (i) Ecrire le Lagrangien du système. (ii) Trouver les symétries et les quantités conservées (experssion et interprétation). 2. Sans gravitation (g = ) (i) Trouver tous les points d équilibre, préciser s ils sont stables ou non et justifier. (ii) Trouver les fréquences d oscillation autour des points d équilibre stables. (iii) Relier, si possible, ces fréquences aux symétries trouvées plus haut. (iv) Expliquer ce qu il se passe dans la limite l r, et pourquoi. 3. Sans gravitation (i) Esquisser le potentiel pour la bille 2. (ii) Esquisser le portrait de phase (,p ) pour différentes énergies. Préciser les points de rebroussement, ainsi que les différents régimes.

2 4. Avec gravitation (i) Sans résoudre explicitement, discuter qualitativement ce qui se passe si l on ajoute la gravitation. En particulier, expliquer la différence entre les deux situations que l on pourrait appeler gravitation faible et gravitation forte. (ii) Esquisser le potentiel pour la bille 2 dans ces deux situations (sans calculer les points de rebroussement). (iii) Esquisser le portrait de phase (,p ) pour ces deux situations et pour les différents régimes d énergie. Préciser à quelle énergie correspond chaque orbite. Exercice 2 (6 points) Un aventurier se trouvant dans le désert apperçoit une oasis à un angle arctan(/12) en-dessus de l horiontale. Le principe de Fermat dit que la lumière suit les trajectoires minimisant : S = n(s)ds où n est l indice de réfraction du milieu et s la distance le long de la trajectoire. Dans des conditions de grande chaleur, l indice de réfraction dépend significativement de la hauteur en-dessus du sable approximativement par : n() = n (1 a) Trouver la trajectoire (x) suivie par la lumière depuis l oasis et indiquer à l aventurier la distance qu il doit encore parcourir avant un repos bien mérité. Le rayon de courbure de la terre est négligé. Indication: arccosh (x) = 1 x 2 1 Exercice 3 ( points) Considérer la transformation: Q = p α q β P = p γ q δ définie sur l ensemble {q >,p > }.

3 1. Deux méthodes sont possibles pour vérifier que la transformation est canonique: la méthode de la matrice jacobienne et la méthode des crochets de Poisson. Trouver les valeures des paramètres α,β,γ,δ afin que la transformation soit canonique à l aide d une des deux méthodes au choix et vérifier le résultat avec l autre méthode. 2. Déterminer la fonction génératrice de type deux F 2 (q,p) qui engendre la transformation donnée. Indication: La fonction génératrice F 2 associée à une transformation canonique est une fonction des anciennes coordonnées q i, des nouvelles impulsions P i et du temps. Elle relie les anciennes et les nouvelles coordonnées par les relations: p i = F 2 q i et Q i = F 2 P i. Exercice 4 (8 points) Une particule de masse m est soumise au potentiel: V (q) = α q 1. Dessiner le potentiel et esquisser le portrait de phase. 2. Ecrire le Hamiltonien. Choisir les conditions initiales les plus simples possible pour une énergie totale E et résoudre les équations de Hamilton. Trouver la période T. 3. Trouver à nouveau la période T, cette fois à l aide de la méthode des variables action-angle. Comparer le résultat avec celui trouvé au point précédant. 4. Par rapport à l oscillateur harmonique de fréquence w, trouver l énergie E pour la quelle w = 2π T = w et discuter la solution à l aide du graphique du potentiel et de l intuition physique.

Mécanique analytique Corrigé Examen 22 janvier 28 http://itp.epfl.ch Exercice 1 (11 points) 1. (i) L(,ż,θ, θ) = 1 2 m 1(r θ) 2 + 1 2 m 2ż 2 1 2 k ( r 2 + 2 l) 2 m2 g (1) (ii) Rotation moment cinétique selon = r 2 θ conservé Temps homogène fonction hamiltonienne = T + V conservée 2. Sans gravitation (g = ) (i) Il y a deux points d équilibre qui sont donnés par : = ± l 2 r 2 (2) (ii) quel que soit θ. Selon θ la position n est pas stable, mais à on le sait déjà vu qu il y a une symétrie de rotation. Selon, tout mouvement changerais la longueur du ressort qui est au repos pour = stable. ω θ = et ω r = k m (iii) ω θ = symétrie de rotation [ ( r ) ] 2 1 l (iv) Pour l r, la fréquence d oscillation tombe à. Ce qui est dû au fait que les points d équilibre stable et instable se regroupent en un seul, ou, d un point de vue physique, qu un petit déplacement change la longueur du ressort seulement O(δx 2 ) (cos(δx) = 1 1 2 δx2 ), et donc une contribution au potientiel O(δx 2 ). On peut également noter la limite opposée, l, ω = k/m, comme pour un oscillateur harmonique en une dimension, ce qui est évident du fait que dans cette limite on peut négliger r, et alors on a effectivement un oscillateur harmonique en une dimension! 3. Sans gravitation (i) Voir figure 1 (ii) Voir figure 1 4. Avec gravitation (i) Si l on ajoute la graviation, les deux points d équilibre stable vont descendre. Le point d équilibre instable qui était en = va monter. La position d en-haut sera de moins en moins stable, jusqu au point limite ou la gravitation est trop forte pour que le ressort puisse s y opposer. Il n y aura alors plus qu un point d équilibre stable en <. (3)

2 1 1 8 p V 6 4-2 1 1-1 Sans graviation, V (x) = 1 2 1-1 - 1 [ x 2 + 1 4] 2 1 8 6 p V 4 2-2 4 1 1-1 -1-1 Graviation faible, V (x) = 1 2 1 [ x ] 2 2 + 1 4 +.8x 1 p V - 1 1 1-1 -1-1 Graviation forte, V (x) = 1 2 [ x ] 2 2 + 1 4 + 2.x Figure 1: Potentiel pour la bille 2 dans les différents cas

3 (ii) Voir figure 1. A noter que pour le dessiner on peut graphiquement additionner le potentiel avec g = et une droite. (iii) Voir figure 1 Exercice 2 (6 points) On choisit notre système de coordonnées de sorte que l aventurier se trouve en x = et l oasis en x = l. De plus on paramétrise la trajectoire par (x). La fonctionnelle à minimiser est donnée par S = n(s)ds, avec l élément de chemin ds = dx 2 + d 2 = dx 1 + ( (x) x S[(x)] = ). On obtient donc : l Les conditions au bord sont données par : dx n (1 a) 1 + 2 (4) () = et () = /12 () L intégrand ne dépend pas de x, et donc la fonction hamiltonienne est une constante : 2 (1 a) 1 + 2 (1 a) = 1 a = C 1 + 2 1 + 2 (6) En introduisant ξ = (1 a)/a, et en inversant la relation on trouve : dξ ξ 2 C 2 1 1 = dx (7) oú C 1 est juste une redéfinition de C. On en tire : ( ) x ξ(x) = C 1 cosh + C 2 (x) = 1 ( ) x C 1 a C 1 cosh + C 2 C 1 En imposant les conditions au bord on trouve : ( ) ( ) 3 C 2 = arcsinh = ln et C 1 = 12 12 2 13a pour finalement avoir la trajectoire donnée par : (x) = 1 a 12 [ ( 13 13a cosh 12 a x 12 ( ))] 3 13a ln 2 (8) (9) (1) d où l on tire aisément la distance jusqu à l oasis, (L) = L = 24 ( ) 3 1 13 ln 2 a (11)

4 Exercice 3 ( points) 1) On choisit la méthode des crochets de Poisson pour trouver les valeures des paramètres afin que la transformation soit canonique. On considère le seul crochet de Poisson qui soit non-trivial: {Q,P } = {p α q β,p γ q δ } = p α {q β,p γ }q δ + {p α,q δ }q β p γ = βγp α q β 1 p γ 1 q δ αδp α 1 q δ 1 q β p γ = βγp α+γ 1 q β+δ 1 αδp α+γ 1 q β+δ 1 Afin que la condition {Q, P } = 1 soit satisfaite, nous avons les trois équations γ = 1 α δ = 1 β βγ αδ = 1 (12) En substituant les deux premières dans la troisième on obtient, finalment, des expression de β, γ et δ en fonction de α. La transformation canoniques est donc donnée par: Q = p α q α+1 P = p α+1 q α (13) (14) On vérifie maintenant le résultat à l aide de la méthode de la matrice jacobienne. La matrice de la transformation est donnée par: ( Q Q ) ( ) (Mφ t q p (α + 1)p α q α αp α 1 q α+1 ) = = (1) αp α+1 q α 1 ( α + 1)p α q α P q P p La condition pour que la matrice jacobienne de la transformation soit symplectique est donc facilement vérifiée: ( ) (α + 1)p α q α αp α+1 q α 1 ( ) ( (Mφ t ) T J(Mφ t 1 (α + 1)p α q α αp α 1 q α+1 ) = αp α 1 q α+1 ( α + 1)p α q α 1 αp α+1 q α 1 ( α + 1)p α q α ) = J 2) On cherche un fonction génératrice de type deux. A partir de la transformation donnée, on obtient les expressions suivantes: Q = P α 1 α q 1 1 α = F 2 P (16) p = (Pq α ) 1 1 α = F 2 q (17) En intégrant la première en obtient: F 2 (q,p) = (1 α)(pq) 1 1 α + f(q) (18) qui, remplacée dans la deuxème nous donne: (q α P) 1 1 α + f (q) = (q α P) 1 1 α (19) f (q) = (2)

f(q) = C (21) La fonction génératrice de la transformation canonique est donc donnée par: F 2 (q,p) = (1 α)(qp) 1 1 α + C. (22) Exercice 4 (8 points) 1) 1 1 8 p 6 V 4-2 -1-1 -1-1 - 1 Figure 2: Potentiel et portrait de phase. 2) Le Hamiltonien du système s écrit: H = p2 2m + α q Les équations de Hamilton sont donc données par: (23) q = p m ṗ = α q q On choisit une condition initiale q(t = ) =, ce qui nous donne, pour une énergie E, la condition initiale p(t = ) = 2mE. En observant le dessin du potentiel et le portrait de phase on peut se rendre compte que le temps nécessaire pour parcourir une trajectoire entière (période) est donné par quatre fois le temps nécesssaire pour aller du point q() = au point ou p(t) =. On peut donc considérer la deuxième équation du mouvement dans le cas q > et l intégrer pour obtenir: (24) (2) p = αt + p() L impulsion devient p(t) = au temps t = p() α 2mE T = 4 α = 2mE α. La période sera donc donnée par: (26) (27)

6 3) Léquation de Hamilton-Jacobi est donnée par: ( ) 1 W 2 + α q = E 2m q (28) les points de rebroussement sont donnés par q = E α et q = E α. La variable action est donc: I = 1 E/α 4 2m 2m(E α q )dq = 2π E/α 3πα E3/2 (29) On peut maintenant trouver l expression de l énergie E en fonction de la variable action I et donc calculer la fréquence: w(e) = de di = La période sera: πα 2 2m E 1/2 (3) T = 2π w = 4 2mE α (31) 4) On pose: w = πα 2 2m E 1/2 = w (32) On obtient donc: E = π2 α 2 8mw 2 (33)