I Propriétés physiques

Documents pareils
DISQUE DUR. Figure 1 Disque dur ouvert

1 Mise en application

Initiation à la Mécanique des Fluides. Mr. Zoubir HAMIDI

Chapitre 2 : Caractéristiques du mouvement d un solide

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

PHYSIQUE-CHIMIE. Partie I - Spectrophotomètre à réseau

Commun à tous les candidats

Cours Fonctions de deux variables

TUTORIAL 1 ETUDE D UN MODELE SIMPLIFIE DE PORTIQUE PLAN ARTICULE

Chapitre 7: Dynamique des fluides

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

Calcul matriciel. Définition 1 Une matrice de format (m,n) est un tableau rectangulaire de mn éléments, rangés en m lignes et n colonnes.

1 ère partie : tous CAP sauf hôtellerie et alimentation CHIMIE ETRE CAPABLE DE. PROGRAMME - Atomes : structure, étude de quelques exemples.

Problèmes sur le chapitre 5

THEME 2. LE SPORT CHAP 1. MESURER LA MATIERE: LA MOLE

Chapitre 11 Bilans thermiques

SSNL126 - Flambement élastoplastique d'une poutre droite. Deux modélisations permettent de tester le critère de flambement en élastoplasticité :

Exercice 1. Exercice n 1 : Déséquilibre mécanique

Précision d un résultat et calculs d incertitudes

Essais de charge sur plaque

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

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

1 Définition. 2 Systèmes matériels et solides. 3 Les actions mécaniques. Le système matériel : Il peut être un ensemble.un sous-ensemble..

DYNAMIQUE DE FORMATION DES ÉTOILES

Baccalauréat S Antilles-Guyane 11 septembre 2014 Corrigé

TP 3 diffusion à travers une membrane

Continuité et dérivabilité d une fonction

CARACTERISTIQUE D UNE DIODE ET POINT DE FONCTIONNEMENT

Fonctions de plusieurs variables

Chapitre 10 : Mécanique des fluides

Semi-conducteurs. 1 Montage expérimental. Expérience n 29

Observer TP Ondes CELERITE DES ONDES SONORES

Premier principe : bilans d énergie

T.P. FLUENT. Cours Mécanique des Fluides. 24 février 2006 NAZIH MARZOUQY

Cours de Résistance des Matériaux (RDM)

CHAPITRE IV Oscillations libres des systèmes à plusieurs degrés de liberté

POLY-PREPAS Centre de Préparation aux Concours Paramédicaux. - Section Audioprothésiste / stage i-prépa intensif -

C f tracée ci- contre est la représentation graphique d une

TD 9 Problème à deux corps

Exemples d utilisation de G2D à l oral de Centrale

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 =

Calcul des pertes de pression et dimensionnement des conduits de ventilation

Développements limités, équivalents et calculs de limites

Chapitre 02. La lumière des étoiles. Exercices :

Chapitre XIV BASES PHYSIQUES QUANTITATIVES DES LOIS DE COMPORTEMENT MÉCANIQUE. par S. CANTOURNET 1 ELASTICITÉ

FLUIDES EN ÉCOULEMENT Méthodes et modèles

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

SUIVI CINETIQUE PAR SPECTROPHOTOMETRIE (CORRECTION)

- I - Fonctionnement d'un détecteur γ de scintillation

LA PUISSANCE DES MOTEURS. Avez-vous déjà feuilleté le catalogue d un grand constructeur automobile?

Annexe A. Annexe A. Tableaux et données relatifs à la vérification par Eurocode 3 A.3

BREVET DE TECHNICIEN SUPÉRIEUR AGRICOLE SUJET

GENERALITES SUR LA MESURE DE TEMPERATURE

Voyez la réponse à cette question dans ce chapitre.

MOTO ELECTRIQUE. CPGE / Sciences Industrielles pour l Ingénieur TD06_08 Moto électrique DIAGRAMME DES INTER-ACTEURS UTILISATEUR ENVIRONNEMENT HUMAIN

Etude de fonctions: procédure et exemple

FONCTIONS DE PLUSIEURS VARIABLES (Outils Mathématiques 4)

Douille expansibleécarteur

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

Spectrophotométrie - Dilution 1 Dilution et facteur de dilution. 1.1 Mode opératoire :

Correction ex feuille Etoiles-Spectres.

Chapitre 1: Facteurs d'échelle

Chapitre 4: Dérivée d'une fonction et règles de calcul

EPFL TP n 3 Essai oedomètrique. Moncef Radi Sehaqui Hamza - Nguyen Ha-Phong - Ilias Nafaï Weil Florian

CHAPITRE IX : Les appareils de mesures électriques

I - Quelques propriétés des étoiles à neutrons

avec des nombres entiers

Styrodur C, un XPS exempt de CFC, HCFC et HFC. De l air, tout simplement. Ecologique, tout simplement.

ANALYSE STATIQUE D UNE POUTRE SOUMISE A UNE CHARGE VARIABLE

P17- REACTIONS NUCLEAIRES

Equipement d un forage d eau potable

Premier principe de la thermodynamique - conservation de l énergie

STATIQUE GRAPHIQUE ET STATIQUE ANALYTIQUE

Cours d Analyse. Fonctions de plusieurs variables

Circuits RL et RC. Chapitre Inductance

A chaque couleur dans l'air correspond une longueur d'onde.

TP 7 : oscillateur de torsion

PHYSIQUE. Calculatrices autorisées. Quelques enjeux de la fusion thermonucléaire inertielle laser

DES ÉCOLES DES MINES D ALBI, ALÈS, DOUAI, NANTES. Épreuve de Physique-Chimie. (toutes filières) Mardi 18 mai 2004 de 08h00 à 12h00

ELEC2753 Electrotechnique examen du 11/06/2012

Transformations nucléaires

Complément d information concernant la fiche de concordance

Banc d études des structures Etude de résistances de matériaux (RDM) et structures mécaniques

Fonctions de deux variables. Mai 2011

Thème 17: Optimisation

Les moments de force. Ci-contre, un schéma du submersible MIR où l on voit les bras articulés pour la récolte d échantillons [ 1 ]

Trépier avec règle, ressort à boudin, chronomètre, 5 masses de 50 g.

Mesure de la dépense énergétique

Chap 8 - TEMPS & RELATIVITE RESTREINTE

Mario Geiger octobre 08 ÉVAPORATION SOUS VIDE

G.P. DNS02 Septembre Réfraction...1 I.Préliminaires...1 II.Première partie...1 III.Deuxième partie...3. Réfraction

Chapitre 1 Régime transitoire dans les systèmes physiques

4 Distributions particulières de probabilités

Sujet. calculatrice: autorisée durée: 4 heures

La température du filament mesurée et mémorisée par ce thermomètre Infra-Rouge(IR) est de 285 C. EST-CE POSSIBLE?

(Exemple ici de calcul pour une Ducati 748 biposto, et également pour un S2R1000, équipé d un disque acier en fond de cloche, et ressorts d origine)

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

MÉCANIQUE DES FLUIDES TRAVAUX DIRIGÉS

ANALYSE NUMERIQUE ET OPTIMISATION. Une introduction à la modélisation mathématique et à la simulation numérique

L École nationale des pompiers du Québec. Dans le cadre de son programme de formation Pompier I

Transcription:

Ω Ce problème concerne divers aspects de la physique de bactéries et d insectes aquatiques ; il est toutefois complètement inutile de mobiliser des connaissances en biologie pour sa résolution. Les trois parties du problème sont largement indépendantes. Données : Viscosité dynamique de l eau η = 10 3 Pa s. Bactéries (sphériques) : rayon R b = 1 µm, masse volumique ρ b = 1100 kg/m 3. I Propriétés physiques I. A Séparation Pour obtenir une solution concentrée en bactéries, on les met en solution aqueuse dans un tube à essai de longueur L = 10 cm dont l extrémité est mise en rotation à Ω = 10000 tours par minute suivant un axe perpendiculaire au tube (figure). e θ L 1. On suppose que le mouvement d une bactérie est parallèle à l axe du tube. Quelle est l accélération d une bactérie? 2. Faire un bilan des forces et donner l équation du mouvement radial d une bactérie. 3. Trouver la loi du mouvement r(t) d une bactérie en négligeant la dérivée seconde d 2 r/dt 2. Quelle est la validité de cette hypothèse? 4. Combien de temps faut-il pour que 90% des bactéries se retrouvent à l extrémité du tube? Application numérique. 5. En fait, le calcul n est plus valable quand la concentration en bactéries devient trop élevée. Pourquoi? Le temps expérimental sera-t-il plus petit ou plus grand que le temps théorique? Justifier brièvement. e r 2

I. B Mesures de volume 1. Un tube de section S = 1 cm 2 et de longueur L = 10 cm est rempli d une solution ionique de résistivité γ = 1 Ω m ; deux plaques métalliques aux deux extrémités du tube sont reliées à un dispositif qui permet de mesurer sa résistance R 0. (a) Quelle est la valeur de la résistance R 0? Application numérique. (b) Un objet non conducteur de section s petite devant S et de longueur l est placé dans le tube, de sorte que leurs deux axes soient parallèles. Montrer que la variation relative de résistance du tube δr / R 0 = (R R 0 )/R 0 est proportionnelle au volume de l objet. On admet que cette formule est valable pour un objet non conducteur de forme quelconque. (c) Le tube contient maintenant des bactéries supposées non conductrices ; leur nombre par unité de volume est N = 10 15 m 3. Que vaut δr/r 0? Application numérique. e R1 R2 A, ρ - + βr 1 2. Le tube est inséré dans le montage ci-dessus contenant un amplificateur opérationnel et un générateur de tension idéaux. Un ampèremètre de résistance interne ρ sert à mesurer le courant de sortie i. (a) Trouver l expression de i. (b) Quelle valeur de R 2 choisir pour que i = 0 quand il n y a rien dans le tube (R = R 0 )? Quelle est l utilité de ce choix? (c) Comment choisir β pour avoir la meilleure sensibilité possible? (d) Comment avoir en même temps une mesure indépendante des caractéristiques de l ampèremètre? (e) Calculer la variation du courant i pour une variation de 1% du volume des bactéries (on prendra β = 100 et e = 1 V). i R 3

3. Aurait-on pu utiliser un microscope pour mesurer cette variation de volume de 1%? Pourquoi? I. C Pression osmotique On considère une enceinte fermée en équilibre thermique à la température T ambiante, séparée en deux par une membrane perméable à l eau et imperméable aux solutés (figure ci-dessous). Un côté contient un volume V d une solution aqueuse à la pression P et l autre un volume V d eau pure à la pression P ; la solution est composée de n moles de solutés et n e moles d eau. Dans la suite, on ne tiendra pas compte du gaz qui surplombe les solutions. 1. Quelle est la fonction d état thermodynamique qui décrit l évolution du système? Quel est son sens de variation lors d une évolution spontanée du système? 2. A l équilibre thermodynamique, quelle est la relation entre les potentiels chimiques de l eau de part et d autre de la membrane? 3. Développer les potentiels chimiques pour une petite concentration en solutés et une petite différence de pression π = P P et montrer que πv = nrt. (1) Quelle hypothèse sur la nature de la solution doit-on faire pour obtenir cette relation? π est appelée pression osmotique de la solution aqueuse. 4. Expliquer brièvement l origine physique de cette surpression. 100 V (%) 80 solution V P eau pure V P 60 40 20 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 n (mol/l) 5. On veut déterminer la pression osmotique π b maintenue physiologiquement par les bactéries. On rajoute du sucre dans la solution contenant les bactéries et l on mesure leur volume (méthode du I.B) en fonction de la concentration en sucre (courbe ci-dessus). Expliquer l allure de la courbe et donner un ordre de grandeur de π b. 4

I. D Propriétés de la paroi On considère un ballon de volume V contenant un liquide à la pression P enfermé dans une enceinte de volume V + V ; la pression à l extérieur du ballon est notée P. Le tout est à l équilibre thermique. 1. (a) Quelle est la fonction d état thermodynamique qui décrit l évolution du système? (b) Quelle est la condition d équilibre? En déduire la relation entre les pressions à l équilibre. 2. On suppose que le ballon reste sphérique (épaisseur h, rayon R ; épaisseur h 0 et rayon R 0 au repos). Pour tenir compte de l élasticité du ballon, il faut rajouter à la fonction d état l énergie élastique E = 1 ( ) R 2 ( ) 2 h 2 E 2 + 4πR0 2 R0 h h 0. (2) 0 Le module élastique E est une propriété du matériau du ballon. (a) Quelle est la dimension de E? (b) On fait l hypothèse que le volume de la partie élastique du ballon est conservé. Simplifier l expression de l énergie élastique E. (c) Quelle est la condition d équilibre? Montrer que P P = 2E h ( ( ) 7 ) 0 R0 R 0 R R0. (3) R (d) Tracer l allure de P P en fonction de R. 3. (a) Un ballon de baudruche en caoutchouc de rayon R 0 = 1 cm et d épaisseur h 0 = 0, 1 mm se gonfle avec une pression de 5 kpa. Calculer le module élastique du caoutchouc. (b) En utilisant la courbe de la question I.C.5, donner une ordre de grandeur du module élastique de la paroi d une bactérie (l épaisseur de la paroi vaut h 0 = 10 nm). 5

II Equilibre et propulsion II.A Insectes aquatiques d 1 d 2 L 1 C L 2 L 3 2r h Schématisation d un gerris et agrandissement de la coupe d une patte où est visible la déformation de la surface de l eau : la patte se trouve à une hauteur h en dessous de la surface de l eau loin de l insecte. On assimile le gerris (un insecte aquatique) à un solide articulé composé d un corps de masse m et de trois paires de pattes cylindriques, de rayon commun r, de longueurs L 1, L 2 et L 3 et de masse négligeable, posées horizontalement à la surface de l eau ; les distances entre paires sont d 1 et d 2 ; les pattes s enfoncent d une profondeur h par rapport à la surface ; le centre C de masse du corps se trouve au dessus de la deuxième paire de pattes (figure). Par souci de simplicité, on considère que les pattes restent rectilignes, qu elles sont toutes parallèles quand l insecte est au repos et l on néglige l articulation entre les pattes et le corps. 1. Préambule Tension de surface. La figure montre que la surface de l eau est déformée à proximité des pattes, ce qui traduit la présence d une force linéique appliquée aux pattes, appelée tension de surface. Plus précisément, quand un liquide possédant une surface libre (surmonté d un gaz) est en contact avec un solide, le liquide subit une force linéique σ constante appliquée le long de la ligne de contact, perpendiculaire à cette ligne et tangente à la surface du liquide (figure ci-dessous, gauche). 6

σ 2a L x h 2 gaz h eau v liquide (a) On s intéresse à l ascension d eau dans un tube capillaire de petit rayon a (figure ci-dessus, centre). En faisant le bilan des forces sur un volume de liquide bien choisi, calculer la hauteur d ascension h. (b) Faire les applications numériques pour une tension de surface σ = 50 mn/m, a = 2 mm et a = 50 µm. Commenter brièvement. 2. (a) Faire un bilan des forces appliquées au gerris, simplifier ce bilan en considérant que le rayon des pattes r est petit. (b) Donner les conditions d équilibre. (c) En déduire une relation entre L 1, L 3, d 1 et d 2. (d) Quelle est la masse maximale d un gerris? Application numérique pour L 1 = L 2 /3 = L 3 = 1 cm. (e) Pourquoi n existe-t-il pas de gerris géant? 3. Le gerris se sert de sa seconde paire de pattes pour nager, il rame en imprimant une vitesse v = 2 cm/s à l extrémité de ses pattes. Pour estimer les forces mises en jeu on considère un écoulement stationnaire à la vitesse v arrivant sur une plaque rectangulaire de dimensions L 2 h (figure ci-dessus, L 2 = 3 cm et h = 3 mm). (a) Quel est le nombre de Reynolds associé? Quelle est la nature de l écoulement? (b) En faisant un bilan de quantité de mouvement, déterminer la force appliquée à la plaque et en déduire l accélération maximale du gerris. Application numérique pour m = 0, 1 g. (c) Quelle vitesse des pattes lui permettrait de sauter? 7

II.B Bactéries On s intéresse maintenant au déplacement des bactéries dans l eau. 1. (a) Calculer la vitesse à laquelle elles tombent sous l effet de la gravité et faire l application numérique. (b) Justifier le choix de la force de frottement exercée sur les bactéries. Pourquoi peut-on a priori négliger l effet de la gravité dans la suite? h 2a r v α 2. Chaque bactérie possède une flagelle (de section négligeable) en forme d hélice de rayon a, d angle α et de hauteur h (figure), qu un moteur fait tourner à une vitesse Ω autour de son axe ; la bactérie se déplace dans la direction de l axe de la flagelle, à une petite vitesse v. Si l écoulement est rampant alors la force et le moment que l eau exerce sur la flagelle ont pour valeurs algébriques F = ηh ( n 1 v + n 2 aω), (4) M = c 1 v + c 2 Ω. (5) n 1 et n 2 sont des nombres qui ne dépendent que de l angle α et que l on prendra égaux à 1 pour les applications numériques. (a) Calculer la vitesse de la bactérie pour une rotation de la flagelle de 100 tours par seconde, h = 5 µm et a = 0, 2 µm. (b) Quelle est la validité de l hypothèse sur la nature de l écoulement? (c) Pourquoi observe-t-on une rotation des bactéries? (d) Quelle propriété des équations hydrodynamiques permet d écrire la force et le moment sous la forme donnée par les équations (4-5)? (e) Expliquer brièvement le choix des signes pour les coeffcients de v et Ω dans ces deux formules. (f) A l aide d un raisonnement dimensionnel, proposer une expression pour les coefficients c 1 et c 2. 8

III Colonies de bactéries On s intéresse à la croissance d une colonie de bactéries par division et diffusion. La densité (nombre de bactéries par unité de longueur) n(x, t) ne dépend que d une coordonnée x et du temps t. 1. (a) Chaque bactérie change aléatoirement de sens tous les T = 1 s. Pour la colonie, cela équivaut à de la diffusion avec un coefficient D. Donner une estimation de D (pour l application numérique on prendra v = 10 µm/s). (b) A l aide d un raisonnement dimensionnel, trouver le temps au bout duquel une petite colonie remplit un récipient de longueur L = 10 cm ; commenter brièvement le résultat numérique. 2. Une bactérie se divise en deux en moyenne tous les τ = 1200 s. (a) Faire un bilan de nombre de bactéries sur une tranche [x, x + dx] et un intervalle de temps [t, t + dt]. Trouver l équation de diffusion modifiée à laquelle satisfait la densité de bactéries. (b) Quelles sont les solutions stationnaires de l équation obtenue? Ont-elles un sens physique? (c) Déterminer l évolution d un profil de densité indépendant de x et valant n(x, t = 0) = n 0 initialement. 3. Tous les τ = 1200 s en moyenne, une bactérie meurt avec une probabilité proportionnelle au nombre moyen de ses voisins dans un intervalle de longueur a. (a) Modifier le bilan de la question 2a en tenant compte de la mort des bactéries et montrer que n t = D 2 n x 2 + d 1n d 2 n 2, (6) où d 1 et d 2 sont des coefficients dont on précisera les expressions, les dimensions et les valeurs numériques (on prend a = 10 µm). (b) Quelles sont les solutions stationnaires et uniformes de l équation 6? A quoi correspondent-elles physiquement? On les note n 1 et n 2 avec n 1 < n 2. 9

(c) On s intéresse au bord de la colonie et on cherche des solutions de l équation 6 sous la forme n(x, t) = f(x ct), telle que Que signifie ce choix? lim f(x) = n 2 et lim f(x) = n 1. x x + (d) Montrer que l équation différentielle qui détermine f se met sous la forme e 1 f = e 2 f + e 3 f + e 4 f 2, (7) où e 1, e 2, e 3 et e 4 sont des coefficients dont on donnera les expressions. (e) Reconnaître dans cette équation le mouvement d une particule de «masse» D soumise à une force de frottement visqueux et à un potentiel à préciser. (f) Faire un bilan des travaux des forces entre les «positions» n 2 et n 1 et en déduire une expression de c en fonction de f 2 (u)du. (g) Dans quelle sens la colonie se déplace-t-elle? Un récipient se remplirait-il plus vite ou moins vite que dans la question 1b? 10