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Exercice I : Le hockey sur gazon 5pts

Donner l'expression littérale de l'énergie potentielle de pesanteur EP , de l' énergie cinétique Ec puis celle de l'énergie mécanique EM de la balle en fonction de ...




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DS STI2D 8/11/2017
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Exercice 1 :
LE HOCKEY SUR GAZON Pratiqué depuis l'Antiquité sous le nom de « jeu de crosses », le hockey sur gazon est un sport olympique depuis 1908. Il se pratique sur une pelouse naturelle ou synthétique, de dimensions quasi identiques à celles d'un terrain de football. Chaque joueur propulse la balle avec une crosse ; l'objectif étant de mettre la balle dans le but. Dans cet exercice, on étudie le mouvement de la balle de centre d'inertie G et de masse m, dans le référentiel terrestre supposé galiléen.
Au point B, la balle quitte la crosse à la date t = 0 avec le vecteur vitesse  EMBED Equation.DSMT4  contenu dans le plan (xOz) ;. On néglige toutes les actions liées à l'air. On étudie le mouvement du centre d'inertie G de la balle dans le champ de pesanteur supposé uniforme. Le système d'axes utilisé est représenté sur le schéma ci-dessous : l'axe Ox est horizontal dirigé vers la droite et Oz est vertical et dirigé vers le haut. L'origine des axes est située à la verticale du point B telle que OB = h = 0,40 m. La masse de la balle vaut m = 160 g. On appelle que 1 g = 10-3 kg. L’intensité du champ de pesanteur terrestre vaut g = 9,80 N.kg-1.
Étude énergétique : vB = 14,0 m.s-1 ; vitesse au sommet S de la trajectoire : vS = 12,0 m.s-1. L'énergie potentielle de pesanteur Ep(0) est choisie nulle à l'altitude z = 0.
1. Donner l'expression littérale de l'énergie potentielle de pesanteur EP , de l’énergie cinétique Ec puis celle de l'énergie mécanique EM de la balle en fonction de g, m, v et z à n’importe quel point de la trajectoire.
2. Calculer l'énergie cinétique EC (B) de la balle au point B.
3. Calculer l’énergie potentielle Ep(B) de la balle au point B
4. Calculer l’énergie mécanique mécanique Em(B) de la balle au point B.
5. Toutes les actions de l'air sont négligées.
3.1. Que peut-on dire de la valeur de l'énergie mécanique EM de la balle au cours de son mouvement ?
3.2. Démontrer que l’énergie mécanique Em(S) de la balle au sommet de la trajectoire vaut Em = 16,3 J.
3.3 En déduire la valeur de l'altitude maximale z(max) que pourrait atteindre la balle au point S .

Exercice 2 On lance un ballon de masse m = 0,460 kg vers un panneau de basket. On note, à intervalle de temps régulier, la position du centre d’inertie M de la balle. L’intensité du champ de pesanteur terrestre vaut g = 9,8 m.s-1.
1) Quelles sont les coordonnées Mo(xo yo) du point origine ?
2) Calculer l’énergie potentielle Ep(0) à l’instant t = 0.
3) La vitesse initiale vo = 2,5 m.s-1. Calculer l’énergie cinétique initiale Ec(0).
4) Noter sur chacune des courbes quelles sont les énergies : potentielle Ep, l’énergie cinétique Ec, l’énergie mécanique Em. Justifier.
5) Le mouvement se fait-il avec ou sans frottement ? Justifier.

Exercice 3
Une roue de voiture est assimilée à un cylindre de moment d’inertie J = ½.m.R2. Le rayon de la roue vaut R = 50 cm. Sa masse m = 16 kg.
1) La vitesse d’un point de la superficie de la roue vaut v = 90 km.h-1 ; calculer la vitesse en m.s-1.
2) En déduire la vitesse angulaire  EMBED Equation.3  de la roue. Attention de convertir les centimètres en mètre !
3) Calculer la valeur du moment d’inertie J de la roue
4) Calculer l’énergie cinétique Ec de rotation de la roue.


Correction
Exercice 1
1. Energie mécanique : EM = EC + EP = ½.m.v² + m.g.z
2. Ec(B) = ½.m.vB² = 0,5x0,160x142 = 15,7 J
3. L’énergie potentielle de pesanteur : Ep(z) = m.g.z = 0,160x9,80x0,40 = 0,627 J.
4. EM(B) = ½.m.vB² + m.g.h = 15,7+0,627 = 16,3 J
5. Il n’y a pas de frottement donc l’énergie mécanique est constante au cours du mouvement de la balle.
EM(B) = EM(S) = constante
EM(B) = ½.m.vS² + m.g.zmax
EM (B)– ½.m.vS² = m.g.zmax

Exercice 2

1) Mo(xo = 0 m ; yo = 0,70 m)
2) Ep (0) = m.g.yo = 0,460x9,8x0,70 = 3,2 J
3) Ec(0) = ½.m.vo²= 0,5x0,460x2,52 = 1,4 J
4) L’énergie mécanique en bleue est la somme des 2 énergies Ec et Ep. L’énergie cinétique diminue lorsque l’altitude augmente et inversement. L’énergie potentielle augmente quand l’altitude y augmente et inversement.


5) L’énergie mécanique est constante donc le mouvement se fait sans frottement.

Exercice 3
1) v = 90000/3600 = 25 m.s-1
2)  EMBED Equation.3 
3) J = ½.m.R2 = 0,5x16x0,5x0,5 = 2,0 kg.m2
4)  EMBED Equation.3 

Exercice 4



 EMBED Equation.3 


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