T.P. de Physique

Énergie cinétique et travail du poids lors d’une chute libre

A / Expérience

On étudie la chute libre d’une balle de golf lâchée sans vitesse initiale. On supposera que sur la hauteur de chute relativement courte les frottements dans l’air sont négligeables.

1 / Utilisation du logiciel « AVIMECA »

Sélection du clip vidéo :

Ouvrir le logiciel AVIMECA.

Cliquer sur le menu fichiers, puis sélectionner accès au clip, puis toujours utiliser le dossier suivant, et enfin parcourir.

Chercher alors le logiciel CDMOVIE que vous sélectionnez, puis cliquer sur OK.

Cliquer alors sur le menu fichiers, puis cliquer sur ouvrir un clip vidéo (ou sur l’icône correspondante), et rechercher le dossier CHGOLF que vous ouvrez. Sélectionner alors le fichier CHGOLF.AVI que vous ouvrez.

Cliquer alors sur le menu clip et sélectionner alors adapter (le but est d’agrandir l’image).

Étalonnage :

Cliquer sur l’onglet étalonnage dans la fenêtre de droite.

Cliquer alors sur échelle verticale, puis sur premier point : sélectionner alors le haut du piquet blanc à droite de la chaise avec le curseur de la souris. Cliquer alors sur deuxième point et sélectionner alors la base du même piquet blanc (au niveau de la surface verte). Entrer alors la valeur 2,80 mètres.

Cliquer alors sur origine et sens (vérifier que la première icône est bien sélectionnée) et positionner l’origine du repère au niveau du sol (au niveau de la surface verte) à la base de la chaise haute.

Mesure :

Cliquer alors sur l’onglet mesure, et vérifier que l’origine des dates correspond à l’image numéro un, et que le nombre de point par image est bien égal à un.

Cliquer alors sur la balle de golf avec le curseur de la souris, puis renouveler la mesure jusqu’à la vingtième image.

2 / Utilisation du logiciel « REGRESSI »

On souhaite alors charger les mesures sur un logiciel de traitement de données.

Cliquer alors sur l’icône Regressi située à côtés de l’inscription taille 2.

Remarque :

Si l’accès au logiciel est impossible, vérifier le chemin d’accès (dans le menu fichier, puis sélection de Regressi, et de définir le chemin d’accès).

Détermination des variables :

Dans le logiciel Regressi, cliquer sur l’icône grandeur en dessous de l’onglet fichier. Puis cliquer sur l’onglet variable.

Sélectionner alors l’icône créer grandeur (en vert) pour faire apparaître la fenêtre de sélection de la grandeur.

Choisir le type de grandeur dérivée, puis remplacer la variable x par la variable y. Nommer la variable v et prendre comme unité le m/s.

Sélectionner de nouveau l’icône créer grandeur.

Choisir le type de grandeur grandeur calculée. Nommer la variable v2, sans prendre d’unité. Puis prendre comme expression de la fonction v*v.

Réalisation du graphe :

Cliquer alors sur l’icône graphe (située à côtés de l’icône variable).

Sélectionner alors l’icône coordonnées située sous l’icône graphe.

Choisir alors la variable y comme abscisse, et la variable v2 comme ordonnée. Sélectionner aussi l’option ligne pour faire apparaître le tracé, et décocher toutes les options dans le cadre option générales.

Modélisation du graphe :

Cliquer sur l’icône début de modélisation située à côtés de l’icône graphe.

Choisir alors l’icône modélisation graphique, cliquer alors sur l’onglet manuelle, et choisir le modèle droite.

Impression du graphe et du modèle :

Imprimer alors votre travail (tableau, graphe, et modèle) que vous glisserez dans votre copie.

B / Interprétation

On constate que le coefficient directeur de la droite est négatif du fait que l’on étudie la chute d’une balle de golf et que l’origine de l’axe est au niveau du sol. Il faudra donc dans la suite du T.P. prendre la valeur du coefficient directeur comme positive. On rappelle, de plus, que la balle de golf est lâchée sans vitesse initiale, et que les frottements de l’air sont négligeables.

1 / Étude de la courbe

1 ) Que peut on dire de la valeur du coefficient directeur (on rappelle que l’intensité de la pesanteur g est égale à 9,81 N/kg à Paris) ?

2 ) En déduire une relation entre la vitesse v et la hauteur y de la balle de golf.

2 / Interprétation énergétique

3 ) Déterminer l’expression du travail du poids de la balle de golf.

Remarque :

La masse de la balle de golf est égale à 45,0 g.

On peut déterminer la hauteur à laquelle la balle de golf est lâchée grâce au tableau de mesure en repérant la valeur de y pour l’image zéro.

4 ) Calculer le travail du poids de la balle de golf.

Rappel : définition de l’énergie cinétique

L’énergie cinétique d’un solide de masse m en translation à la vitesse v est donnée par l’expression :

                        Ec = ½ . m . v²

5 ) Calculer l’énergie cinétique de la balle de golf au temps t = 0 (on rappelle que la balle est lâchée sans vitesse initiale).

6 ) Calculer l’énergie cinétique de la balle de golf pour la dernière mesure.

7 ) Déterminer alors la variation d’énergie cinétique entre les deux propositions précédentes.

8 ) Que peut-on dire de la variation de l’énergie cinétique par comparaison avec le travail du poids de la balle de golf.

9 ) Proposer une généralisation du théorème de l’énergie cinétique.