Le carrousel et le fil à plomb

Alexandre Vial

18 avril 2009

1 Introduction

Un fil à plomb de longueur l et de masse m est attaché à la périphérie d’un disque de rayon R qui tourne dans le plan horizontal autour de son axe avec la vitesse angulaire ω. Le fil à plomb fait avec la verticale un angle θ. Il faut déterminer la relation entre θ et les autre paramètres.

2 Solution d’ordre 0

Dans le référentiel tournant, le pendule est à l’équilibre, donc P⃗ + ⃗T + ⃗Fe = ⃗0, où ⃗Fe est la force d’inertie d’entraînement provenant de l’accélération d’entraînement (le référentiel n’est pas galiléen !). On en déduit :

T cos θ  =  mg,                                         (1)
                2
 T sin θ  =  m ω  (R + lsinθ),                           (2)
soit finalement
        Rω2    lω2
tanθ =  -----+ ----sin θ.
         g      g
(3)

Si on considère l sin θ comme négligeable devant R, alors on obteint la solution d’ordre 0 :

         Rω2
tanθ0 =  ----.
          g
(4)

3 Solution améliorée

Si on cherche une solution plus précise, deux possibilités sont à explorer : la recherche de racine d’un polynôme, et le développement limité.

3.1 Recherche de racine

On pose t = tan θ-
2, ce qui permet d’écrire sin θ = --2t--
1 + t2 et tan θ = --2t--
1 - t2. Par conséquent, l’équation (3) peut s’écrire sous la forme

  2t      Rω2    l R ω2  2t        2t              l         2t
-----2 =  ----+  -----------2-⇔  -----2 = tan θ0 + --tan θ0----2-,
1 - t      g     R   g  1 + t    1 - t             R       1 + t
(5)

soit après simplification

            (            )       (             )
       4          l         3           l
tan θ0t + 2  1 +  --tanθ0   t + 2  1 - -- tanθ0  t - tanθ0 = 0.
                  R                    R
(6)

Il suffit alors de chercher une racine comprise entre 0 et 1 de l’équation (6) pour en déduire la valeur correcte de θ (en effet, θ variant de 0 à π∕2, t varie de 0 à 1). L’écart δθracine = θ -θ0 est représenté sur la figure 1.


PIC

FIGURE 1: Écart δθracine = θ - θ0 calculé à partir de l’équation (6) en fonction de l∕R et θ0.


3.2 Développement limité

On part du développement à l’ordre 1 de tan θ, en écrivant θ = θ0 + δθ :

                                 δθ
tan θ = tan (θ0 + δθ) = tan θ0 + ---2--.
                               cos θ0
(7)

Or, d’après l’équation (3),

           δθ              l
tan θ0 +---2--- = tan θ0 +-- tanθ0(sinθ0 + cosθ0δθ )
        cos  θ0           R
(8)

(où l’on a également utilisé le développement à l’ordre 1 de sin θ). On en déduit donc

       --lcos-θ0sin2θ0---
δθdl = R -  lcos2θ sinθ  .
                  0    0
(9)

L’utilisation de cette méthode n’est envisageable que si δθ reste faible, et donc si l est petit devant R. L’erreur commise sur le calcul de δθ est représentée sur la figure 2.


PIC

FIGURE 2: Écart δθdl - δθracine calculé à partir des équation (6) et (9) en fonction de l∕R et θ0.