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Modéliser l'oscillation d'un pendule

Énoncé

Un capteur enregistre l'oscillation d'un pendule autour de sa position d'équilibre. On note x(t)x(t) son écart (en centimètres) à l'instant tt (en secondes). À l'instant t=0t = 0, le pendule est lâché à son écart maximal de 66 cm. On mesure une période d'oscillation T=2T = 2 s. On modélise le mouvement par x(t)=Acos⁡(ωt)x(t) = A\cos(\omega t). 1) Déterminer l'amplitude AA et la pulsation ω\omega, puis écrire le modèle x(t)x(t). 2) Prévoir la position du pendule à l'instant t=13t = \dfrac{1}{3} s. 3) Que vaut xx à l'instant t=0,5t = 0{,}5 s ? Interpréter.
Besoin d'un coup de pouce ?
  1. À t=0t = 0, comme cos⁡(0)=1\cos(0) = 1, le modèle donne x(0)=Ax(0) = A. Compare avec l'écart de départ du pendule pour trouver AA.
  2. Pour la pulsation, pense à la formule ω=2πT\omega = \dfrac{2\pi}{T} qui relie pulsation et période.
  3. Pour t=13t = \dfrac{1}{3} s, calcule d'abord l'angle ωt=π×13=π3\omega t = \pi \times \dfrac{1}{3} = \dfrac{\pi}{3}, puis utilise la valeur remarquable cos⁡(π3)=12\cos\left(\dfrac{\pi}{3}\right) = \dfrac{1}{2}.

Mode élève : cherche d'abord par toi-même (les coups de pouce sont là pour t'aider), puis passe en vue « Corrigé » pour vérifier.

Voir le corrigé détaillé
  1. 1. Déterminer l'amplitude

    À t=0t = 0, on a x(0)=Acos⁡(0)=Ax(0) = A\cos(0) = A (car cos⁡(0)=1\cos(0) = 1). Or à cet instant le pendule est à son écart maximal de 66 cm, donc A=6A = 6 cm. L'amplitude est la valeur maximale de l'écart : A=6A = 6 cm.
  2. 2. Déterminer la pulsation

    La pulsation se calcule à partir de la période : ω=2πT\omega = \dfrac{2\pi}{T}. Avec T=2T = 2 s : ω=2π2=π rad⋅s−1\omega = \dfrac{2\pi}{2} = \pi \ \text{rad·s}^{-1}.
  3. 3. Écrire le modèle

    On remplace AA et ω\omega dans x(t)=Acos⁡(ωt)x(t) = A\cos(\omega t) : x(t)=6cos⁡(πt)x(t) = 6\cos(\pi t), avec tt en secondes et x(t)x(t) en centimètres.
  4. 4. Position à l'instant t = 1/3 s

    On remplace tt par 13\dfrac{1}{3} : x(13)=6cos⁡(π×13)=6cos⁡(π3)x\left(\dfrac{1}{3}\right) = 6\cos\left(\pi \times \dfrac{1}{3}\right) = 6\cos\left(\dfrac{\pi}{3}\right). Or cos⁡(π3)=12\cos\left(\dfrac{\pi}{3}\right) = \dfrac{1}{2} (valeur remarquable), donc x(13)=6×12=3x\left(\dfrac{1}{3}\right) = 6 \times \dfrac{1}{2} = 3 cm. Le pendule est à 33 cm de sa position d'équilibre.
  5. 5. Position à l'instant t = 0,5 s et interprétation

    On remplace tt par 0,50{,}5 : x(0,5)=6cos⁡(π×0,5)=6cos⁡(π2)x(0{,}5) = 6\cos(\pi \times 0{,}5) = 6\cos\left(\dfrac{\pi}{2}\right). Or cos⁡(π2)=0\cos\left(\dfrac{\pi}{2}\right) = 0, donc x(0,5)=6×0=0x(0{,}5) = 6 \times 0 = 0 cm. C'est cohérent : un quart de période (T4=24=0,5\dfrac{T}{4} = \dfrac{2}{4} = 0{,}5 s) après le lâcher au maximum, le pendule atteint le centre. Le modèle est x(t)=6cos⁡(πt)x(t) = 6\cos(\pi t) ; à t=13t = \dfrac{1}{3} s le pendule est à 33 cm, et à t=0,5t = 0{,}5 s il vaut 00 cm, c'est-à-dire qu'il passe par sa position d'équilibre.
Réponse finale
x(t)=6cos⁡(πt);x ⁣(13)=6cos⁡ ⁣(π3)=3 cm;x(0,5)=6cos⁡ ⁣(π2)=0 cmx(t) = 6\cos(\pi t) \quad ; \quad x\!\left(\tfrac{1}{3}\right) = 6\cos\!\left(\tfrac{\pi}{3}\right) = 3 \ \text{cm} \quad ; \quad x(0{,}5) = 6\cos\!\left(\tfrac{\pi}{2}\right) = 0 \ \text{cm}

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