ENVIRONNEMENT DE RECETTE

Mouvement et interaction - Spécialité

Mouvement dans un champ uniforme

Exercice 1 : Chute libre d'une balle (Attention au signe lorsqu'on projette les équations

On jette une balle \( B \) dans un champ de pesanteur \(\vec{g}\) avec une vitesse \(\vec{v_0}\).

Faire le bilan des forces en écrivant la résultante \(\vec{F}\).

On écrira \(\vec{F} = ... \)
Rappeler la seconde loi de Newton pour la balle \( B \).
Projeter la relation précédente sur l'axe \( y \).
On appelera \(a_y\) le projeté de \(\vec{a}\) sur l'axe \( y \).
En utilisant la relation \(a_y = \frac{d^2y}{dt^2}\), retrouver la fonction \(y(t)\).
On appelera \(v_y\) le projeté de la vitesse \(v_0\) sur l'axe \( y \) à l'instant \( 0 \).
On appelera \(h\) la distance du sol à laquelle la balle se trouve à l'instant \( 0 \).

Application numérique

Déterminer au bout de combien de temps la balle touche le sol.
On donne :
  • \(v_y = 5,0 km/h \)
  • \(h = 1,2 m \)
  • \(g = 9,807 m\mathord{\cdot}s^{-2} m.s^{-2} \)
On donnera le résultat en unité SI avec \( 2 \) chiffres significatifs et suivi de l'unité qui convient.

Exercice 2 : Déterminer une vitesse grâce à l'énergie mécanique

Un enfant glisse le long d’un toboggan de plage dans le référentiel terrestre supposé galiléen.
Pour l’exercice, l’enfant sera assimilé à un point matériel \( G \) et on négligera tout type de frottement ainsi que toutes les actions dues à l’air.
Un toboggan de plage est constitué de :
- une piste \( DO \) qui permet à un enfant partant de \( D \), sans vitesse initiale, d’atteindre le point \( O \) avec une vitesse \( V_0 \).
- une piscine de réception : la surface de l’eau se trouve à une distance \( H \) au-dessous de \( O \).

Données :
  • Masse de l’enfant : \( m = 29 kg \)
  • Intensité de la pesanteur : \( g = 9,8 m\mathord{\cdot}s^{-2} \)
  • Dénivellation \( h = 5,5 m \)
  • Hauteur \( H = 0,5m \)
  • On choisit l’altitude du point \( O \) comme référence pour l’énergie potentielle de pesanteur de l’enfant, \( E_{pO} = 0 \) pour \(y_0 = 0\).

Calculer l’énergie potentielle de pesanteur \( E_{pD} \) de l’enfant au point \( D \).
On donnera le résultat avec 2 chiffres significatifs et suivi de l'unité qui convient.
Calculer l’énergie mécanique \( E_{mD} \) de l’enfant au point \( D \).
On donnera le résultat avec 2 chiffres significatifs et suivi de l'unité qui convient.
En déduire la valeur de l’énergie mécanique \( E_{mO} \) de l’enfant au point \( O \).
On donnera le résultat avec 2 chiffres significatifs et suivi de l'unité qui convient.
Calculer la valeur de la vitesse \( v_O \) de l’enfant en \( O \).
On donnera le résultat avec 2 chiffres significatifs et suivi de l'unité qui convient.

Exercice 3 : Rappel de formules sur l'énergie et la vitesse

Un sportif intrépide tente de battre le record de saut en longueur à moto.
L’axe \( Ox \) est le niveau de référence des énergies potentielles de pesanteur.


Données
  • Intensité de la pesanteur : \( g = 9,8 m\mathord{\cdot}s^{-2} \)
  • Masse du système : \( m = 160 kg \)
  • \( AB = 57 m \)

Soit un tremplin incliné d’un angle \( \alpha = 29° \) par rapport à l'axe \( Ox \).
On considère que le motard parcourt le tremplin \( AB \) avec une vitesse de valeur constante égale à \( 221 km/h \).
Au point \( B \) il s'envole pour un saut d’une portée \( BC = 130 m \).

Entre \( B \) et \( C \), toute force autre que le poids est supposée négligeable.

Exprimer l’énergie mécanique du système, \( E_{m} \), en fonction de la masse \( m \) de la vitesse \( v \), de l'altitude \( y \) du motard et de \( g \).
Exprimer l'altitude \( y_0 \) du point \( B \) en fonction de \( AB \) et de \( \alpha \).
En déduire l'expression de la variation d'énergie potentielle de pesanteur du système, lorsque le système passe du point \( A \) au point \( B \).
Comment évolue l'énergie mécanique du système lorsqu'il passe de \( A \) à \( B \) ?
Comment évolue l'énergie mécanique du système lorsqu'il passe de \( B \) à \( C \) ?
Déterminer la valeur de la vitesse du système au point \( C \).
On donnera un résultat avec 3 chiffres significatifs, en \( km / h \) et suivi de l'unité qui convient.

Exercice 4 : Problème sur l'énergie mécanique (jet de projectile)

Un pistolet joueur tire des projectiles en mousse avec une vitesse de \(22\:m\mathord{\cdot}s^{-1}\).
Les balles en mousse sont des sphères de diamètre \(6\:cm\) et de masse \(68\:g\).
Données
  • - Intensité du champ de pesanteur : \( g = 9,80665\:m\mathord{\cdot}s^{-2} \)
En négligeant les frottements, déterminer la hauteur maximale à laquelle vous pouvez projeter ces balles en mousse ?
On donnera le résultat avec 2 chiffres significatifs et suivi de l'unité qui convient.
On s'amuse à remplacer les projectiles par des balles de diamètre \( 1\:cm \) et de masse \(10\:g\).
En supposant que l'énergie cinétique transmise aux balles est la même que dans l'expérience précédente, déterminer la nouvelle hauteur maximale à laquelle on peut envoyer les balles.

On donnera le résultat avec 2 chiffres significatifs et suivi de l'unité qui convient.
On prend maintenant un troisième type de projectile. On tire vers le haut et on observe qu'ils montent à une hauteur \(32\:m\).

Déterminer la masse des nouveaux projectiles.
On donnera le résultat avec 2 chiffres significatifs et suivi de l'unité qui convient.

Exercice 5 : Obtenir la distance entre le filet et le point de chute d'un ballon après un service au volley-ball

Pour servir au volley-ball, un joueur lance un ballon et le frappe à une hauteur \( h = 3,2\:m \) au-dessus de la ligne de fond du terrain. On étudie la trajectoire du centre de masse \( G \) du ballon dans un référentiel terrestre considéré comme galiléen. L'étude du mouvement se fera dans le repère \( (O;\vec{i},\vec{j}) \) représenté ci-dessous sans tenir compte des forces de frottements. Le vecteur vitesse initial \( \vec{v_0} \) du ballon, dont l'origine est le point \( P(0 ; h) \), forme un angle \( \alpha = 4 \)° avec le vecteur \( \vec{i} \).

Données :
  • - intensité du champ de pesanteur : \( g = 9,81\:m\mathord{\cdot}s^{-2} \);
  • - \( \| \vec{v_0} \| = 23\:m\mathord{\cdot}s^{-1} \);
  • - demi-longueur du terrain : \( D = 9\:m \);
  • - hauteur du filet : \( H = 2,43\:m \);
  • - rayon du ballon : \( R = 0,2\:m \).

Déterminer la distance depuis le filet jusqu'au point de chute du ballon.
On donnera le résultat en unités SI et avec 3 chiffres significatifs. On utilisera les valeurs exactes pour faire les calculs, et on arrondira au dernier moment.
False