Champs de forces

Partie

Question

Travail sur une hélice

Soit l'hélice d'équations: \(x = a \cos u, y = a \sin u, z = au\). Calculer le travail de la force

\(\displaystyle{\overrightarrow F=z\overrightarrow i+x\overrightarrow j+y\overrightarrow k}\)

lorsqu'on se déplace sur l'hélice du point correspondant à \(u = 0 (x = a, y = 0, z = 0)\) au point correspondant à \(u = 2\pi (x = a, y = 0, z = 2a^1)\).

Aide simple

Décomposer le contour en portions de courbes

exprimer le déplacement différentiel sur chacune des portions

Calculer le travail "par morceaux"

Penser aux bornes d'intégration.

Solution détaillée

Il s'agit de calculer l'intégrale :

\(\displaystyle{C=\int_{u=0}^{u=2\pi}z\textrm dx+x\textrm dy+y\textrm dz=a^2\int_0^{2\pi}u\textrm d(\cos u)+\cos u\textrm d(\sin u)+\sin u\textrm du}\)

qui peut se séparer en une somme de deux intégrales comme suit :

\(\displaystyle{C=a^2\int_0^{2\pi}(\sin u+\frac{1+\cos2u}{2})\textrm du+a^2\int_0^{2\pi}u\textrm d(\cos u)}\)

La première est égale à \(\pi a^2\) , la seconde se calcule par parties :

\(\displaystyle{\int_0^{2\pi}ud(\cos u)=[u\cos u]_0^{2\pi}-\int_0^{2\pi}\cos u\textrm du=2\pi}\)

Soit enfin \(C = \pi a^2 + 2\pi a^2 = 3\pi a^2\)