Equations de mouvement d'un pendule

Partie

Question

Equations de mouvement d'un pendule (*)

Un pendule est constitué par une masse ponctuelle \(m\), suspendue à un fil inextensible, de masse négligeable, de longueur \(l\) fixé au point \(O\). Montrer que l'on peut retrouver l'équation du pendule, s'il n'y a pas de frottements, en écrivant que l'énergie mécanique totale du système est une constante du mouvement. A l'instant initial, le pendule est écarté de sa position d'équilibre d'un angle \(\theta_0\), petit.

Aide simple

L'énergie mécanique est la somme de l'énergie cinétique et de l'énergie potentielle

Solution détaillée

Lorsque le pendule fait un angle\( \theta\) avec la verticale, il est à une altitude \(h\) telle que :

Prenons l'origine des coordonnées en \(A\), avec \(\theta\) assez petit pour que \(\displaystyle{h=l(1-\cos\theta)}\)

\(\displaystyle{h=\frac{l\theta^2}{2}}\)

La vitesse du pendule est \(v\), son énergie totale :

\(\displaystyle{\Delta E=\frac{1}{2}(mv^2)+\frac{1}{2}(mgl\theta^2)=\frac{1}{2}(ml^2\theta'^2)+\frac{1}{2}(mgl\theta^2)}\)

Et en dérivant cette expression on obtient :

\(\displaystyle{ml^2\theta'\theta"+mgl\theta\theta'=0\textrm{ ou encore }l\theta"+g\theta=0}\)

soit

\(\displaystyle{\theta"+\frac{g}{l}\theta=0}\)

qui est l'équation différentielle du mouvement du pendule.