Déplacement quasi-statique

Durée : 8 mn

Note maximale : 8

Question

Par rapport à un référentiel galiléen, le déplacement d'un point matériel est dit "quasi-statique" s'il s'effectue sous l'effet de forces dont la résultante est nulle.

Par exemple, on élève verticalement un point matériel suspendu à un fil inextensible et de masse négligeable, en exerçant sur ce fil une force \(\vec{F}\).

Ceci peut-il se faire d'une manière quasi-statique ?

A quelle vitesse ?

Calculez dans ces conditions le travail de la force \(\vec{F}\) que fournit l'opérateur (ou la machine) qui agit sur le fil, pour élever le point matériel d'une hauteur \(h\).

Comparez ce travail à celui qui serait nécessaire pour imprimer au point matériel une accélération constante a non nulle pendant le même déplacement.

Peut-on déplacer un point matériel d'un point \(A\) à un point \(B\) de manière quasi-statique lorsqu'on impose qu'il soit au repos en chacun de ces points.

Solution

Le point matériel est soumis à l'action de la pesanteur et à celle du fil.

Les forces sont :

- le poids \(\vec{P}=-mg\vec{u}_z\quad(g>0)\)

- la tension \(\vec{T}=F\vec{u}_z\) (fil sans masse).

(2 points)

Dans un déplacement "quasi-statique", \(\vec{P}+\vec{T}=\vec{0}\)

et la norme de la tension est \(F_0 = mg\).

(1 point)

L'Equation fondamentale de la dynamique s'écrit : \(\vec{0}=m\vec{a}\)

et le déplacement s'effectue avec une vitesse quelconque mais constante.

(1 point)

Le travail dépensé par l'opérateur est \(W_0 = mgh\).

Il est opposé au travail du poids.

(1 point)

Si le déplacement s'effectue avec une accélération a non nulle, la tension devient

\(F_a = m(g + a)\)

et le travail dépensé par l'opérateur est

\(W_a = m (g + a) h > W_0\).

(2 points)

Le déplacement du point matériel depuis \(A\) où il est au repos jusqu'à \(B\) où il demeure au repos ne peut se faire de manière quasi-statique qu'à vitesse nulle donc dans un temps infiniment long.

Sa réalisation pratique est donc en toute rigueur impossible.

(1 point)