Systèmes oscillants

Bienvenue, Ahmed Bennani 👋
2ème BAC Sciences Physiques · Physique-Chimie
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⚛️ Physique · Chapitre 3 · الفيزياء

Les oscillations mécaniquesالذبذبات الميكانيكية

🎓 2ème BAC Sciences Physiques
⏱️ Durée ~2h 30min
📊 Niveau Intermédiaire
🎬 1 vidéo + 12 exercices
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🎯

Objectifs du programme officiel

أهداف البرنامج الرسمي
00
  • Connaître le mouvement oscillatoire, les oscillations libres et l'amortissement (types et régimes).
  • Appliquer la 2ème loi de Newton à un système solide-ressort pour établir et résoudre l'équation différentielle.
  • Établir l'expression de la période propre et de la fréquence propre du système solide-ressort.
  • Connaître l'expression du couple de rappel exercé par un fil de torsion ; étudier le pendule de torsion.
  • Étudier le pendule pesant dans le cas des petites oscillations (équation différentielle, période propre).
  • Définir le pendule simple synchrone au pendule pesant.
  • Reconnaître l'excitateur, le résonateur et le phénomène de résonance mécanique, et l'influence de l'amortissement.
🎬

Vidéo du cours

فيديو الدرس
01
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🇫🇷 Français
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🎥 Cours animé · Full HD
Les oscillations mécaniques — Cours complet
Version : Français · 14:32
📖

Le cours

الدرس
02

Les systèmes oscillants (ressort-masse, pendule) échangent de l'énergie entre deux formes et constituent l'analogue mécanique du circuit RLC électrique.

Oscillateur masse-ressort · المذبذب كتلة-نابض

Un solide de masse m accroché à un ressort de raideur k oscille sans frottement selon x̂. La loi de Newton donne : -k·x = m·d²x/dt², soit d²x/dt² + ω₀²·x = 0, avec $\omega_0 = \sqrt{k/m}$ (pulsation propre). La solution est x(t) = X_m·cos(ω₀t + φ), $T_0 = 2\pi/\omega_0$ = 2π√(m/k). L'amplitude X_m et la phase φ sont déterminées par les conditions initiales. Sans amortissement, l'énergie mécanique totale E = ½kX_m² = cste est conservée, oscillant entre énergie potentielle élastique E_p = ½kx² et énergie cinétique E_c = ½mv². Avec amortissement (frottement visqueux f = -h·ẋ), la pulsation pseudo-périodique est ω = √(ω₀² - h²/(4m²)) < ω₀ et l'amplitude décroît exponentiellement.

Pendule de torsion et pendule pesant · البندول الالتوائي والبندول الثقيل

Le pendule de torsion est un solide suspendu par un fil de torsion exerçant un couple de rappel M = -D·θ, où D est la constante de torsion (N·m/rad). La RFD en rotation donne : J·d²θ/dt² = -D·θ, soit d²θ/dt² + (D/J)·θ = 0. La période propre est T₀ = 2π√(J/D). Le pendule pesant est un solide rigide pouvant osciller autour d'un axe horizontal Δ. Pour de petites oscillations (θ << 1 rad), en notant a la distance du centre de masse à l'axe et d le bras de levier : J·d²θ/dt² = -mga·θ → T₀ = 2π√(J/(mga)). Le pendule simple (masse ponctuelle m au bout d'un fil de longueur l) a $T_0 = 2\pi\sqrt{l/g}$. Un pendule pesant est dit synchrone au pendule simple de longueur réduite l_r = J/(m·a).

Résonance mécanique et amortissement · الرنين الميكانيكي والتخميد

Quand un oscillateur mécanique est soumis à une excitation externe sinusoïdale de fréquence N (oscillations forcées), l'amplitude des oscillations dépend de N. La résonance se produit quand N ≈ N₀ (fréquence propre) : l'amplitude atteint un maximum. Plus l'amortissement est faible, plus le pic de résonance est élevé et étroit. L'excitateur impose la fréquence ; le résonateur est le système oscillant. En pratique, la résonance est exploitée dans les instruments de musique (résonateurs acoustiques), les ponts et structures (la résonance mécanique peut être catastrophique : pont de Tacoma). L'amortissement joue un rôle stabilisateur : il évite des oscillations incontrôlées à la résonance.

Analogie électromécanique · القياس الكهروميكانيكي

Il existe une analogie formelle entre l'oscillateur mécanique (masse-ressort avec amortissement) et le circuit RLC. Masse m ↔ Inductance L ; Constante de rappel k ↔ 1/C ; Coefficient de frottement h ↔ Résistance R ; Déplacement x ↔ Charge q ; Vitesse v = dx/dt ↔ Courant i = dq/dt. L'équation différentielle du circuit RLC L·d²q/dt² + R·dq/dt + q/C = 0 est identique à celle du ressort-masse m·d²x/dt² + h·dx/dt + kx = 0. Cette analogie permet de traiter des problèmes mécaniques par des circuits électriques équivalents, facilitant les mesures (plus faciles à faire en électricité qu'en mécanique).

💡

L'essentiel à maîtriser

الأساسي الواجب إتقانه
03
📐
Formules & règles à retenir
القوانين والقواعد الواجب تذكّرها
Pulsation propre oscillateur masse-ressort
$\omega_0 = \sqrt{k/m}$ → $T_0 = 2\pi\sqrt{m/k}$
Pulsation propre pendule de torsion
$\omega_0=\sqrt{D/J}\Rightarrow T_0=2\pi\sqrt{J/D}$
Période propre pendule simple
$T_0 = 2\pi\sqrt{l/g}$
Période propre pendule pesant (petites oscillations)
$T_0=2\pi\sqrt{J/(mga)}$
Énergie totale (ressort-masse sans amortissement)
$E=\frac{1}{2}kX_m^2=\frac{1}{2}mv_{max}^2$
Couple de rappel du pendule de torsion
$M=-D\theta$
⚠️
Attention aux erreurs
انتبه للأخطاء
✕
Oublier que T₀ = 2π√(m/k) est valable seulement sans amortissement.Avec amortissement, la pseudo-période est T > T₀. L'expression T₀ = 2π√(m/k) ne s'applique qu'au cas idéal sans frottement.
✕
Confondre k (raideur, N/m) et D (constante de torsion, N·m/rad).k est une raideur linéaire (force de rappel F = -kx). D est une raideur en torsion (couple de rappel M = -Dθ). Unités différentes.
✕
Croire que l'amplitude dépend de la fréquence propre.L'amplitude est déterminée par les conditions initiales (ou l'excitateur). La fréquence propre dépend des caractéristiques du système (m, k, l...).
✅

Quiz de compréhension

رائز الفهم
04
Question 1 / 10 — [Énoncé de la question, propre au chapitre]
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[Réponse B — correcte]
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[Réponse C]
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Exercices d'entraînement

تمارين تطبيقية
06
🔵 Application تطبيق · 4
🟡 Médium متوسط · 4 🎁
🟠 Avancé متقدّم · 4 🔒
Exercice 1
🔵 Application · Libre
Un ressort de raideur k = 80 N/m supporte une masse m = 500 g. Calculer T₀ et l'amplitude si la masse est écartée de 5 cm de l'équilibre et lâchée sans vitesse initiale.
✓ Correction écrite
🎬 Vidéo :
FR
الدارجة

✓ Correction détaillée

ω₀ = √(80/0,5) = √160 ≈ 12,6 rad/s. T₀ = 2π/ω₀ = 2π/12,6 ≈ 0,5 s. x(0) = 5 cm, v(0) = 0 → X_m = 5 cm. x(t) = 5 cos(12,6t) cm.

Exercice 2
🔵 Application · Libre
Un pendule pesant a J = 0,5 kg·m², m = 2 kg, a = 0,3 m (g = 10 m/s²). Calculer T₀ et la longueur du pendule simple synchrone.
✓ Correction écrite
🎬 Vidéo :
FR
الدارجة

✓ Correction détaillée

T₀ = 2π√(J/(mga)) = 2π√(0,5/(2×10×0,3)) = 2π√(0,5/6) = 2π×0,289 ≈ 1,82 s. Longueur réduite : l_r = J/(m·a) = 0,5/(2×0,3) ≈ 0,833 m.

Exercice 3
🔵 Application · Libre
Un pendule de torsion a J = 0,02 kg·m² et effectue 10 oscillations en 40 s. Calculer D et la pulsation ω₀.
✓ Correction écrite
🎬 Vidéo :
FR
الدارجة

✓ Correction détaillée

T = 40/10 = 4 s. ω₀ = 2π/T = 2π/4 ≈ 1,57 rad/s. D = J·ω₀² = 0,02 × 1,57² ≈ 0,0493 N·m/rad.

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