Question 1

Durée : 10 mn

Note maximale : 8

Question

Un point \(M\) est soumis à deux mouvements vibratoires \(y_{1}(t)\) et \(y_{2}(t)\), de même direction et de période commune \(T\).

Sachant qu'en ce point, les élongations sont de la forme :

\(y_{1}(t) = a_{1} \sin(\omega t + \varphi_1)\) et \(y_{2}(t) = a_{2} \sin(\omega t + \varphi_2)\)

déterminer l'amplitude \(a\) et la phase \(\varphi\) du mouvement résultant, de même période \(T\) :

\(y(t) = a \sin(\omega t + \varphi)\)

(la construction de Fresnel ne sera pas utilisée).

A.N. : \(y_{1} = 3 \sin(\omega t + \pi/6)\) et \(y_{2} = 4 \sin(\omega t - \pi/3)\)

Solution

La vibration résultante sera : \(y(t) = y_{1}(t) + y_{2}(t)\).

\(a \sin (\omega t + \varphi ) = a_{1} \sin(\omega t + \varphi_{1}) + a_{2} \sin(\omega t + \varphi_{2})\)

Cette égalité étant vérifiée quelle que soit le temps \(t\) (ou \(\omega t\)), nous aurons :

\(\omega t = 0 \Rightarrow a \sin \varphi= a_{1} \sin \varphi_{1} + a_{2} \sin \varphi_{2}\) (1) (1 pt)

\(\omega t = \pi/2 \Rightarrow a \cos\varphi = a_{1} \cos \varphi_{1} + a_{2} \cos \varphi_{2}\) (2) (1 pt)

Détermination de l'amplitude \(a\)

Elevons au carré les deux membres de ces deux équations et sommons \((1)^{2} + (2)^{2}\) :

\(\begin{array}{rrl}a^{2} \left(\sin^{2} \varphi + \cos^{2} \varphi\right) &=& \left(a_{1} \sin \varphi_{1} + a_{2} \sin \varphi_{2}\right)^{2} + \left(a_{1} \cos \varphi_{1} + a_{2} \cos \varphi_{2}\right)^{2} \\ a^{2} &=& a_{1}^{2} + a_{2}^{2} + 2 a_{1} a_{2} \left(\cos \varphi_{1} \cos \varphi_{2} + \sin \varphi_{1} \sin \varphi_{2}\right) \\ a^{2} &=& a_{1}^{2}+ a_{2}^{2} + 2 a_{1} a_{2} \cos (\varphi_{1} - \varphi_{2})\end{array}\)

d'où

\(a = \sqrt{a_{1}^{2} + a_{2}^{2} + 2a_{1}a_{2} \cos \left(\varphi_{1} - \varphi_{2}\right)}\) (2 pts)

Détermination de la phase \(\varphi\)

Faisons le quotient membre à membre des deux équations précédente : (1) / (2)

\(\frac{a \sin \varphi}{a \cos \varphi} = \frac{a_{1} \sin \varphi_{1} + a_{2} \sin \varphi_{2}}{a_{1} \cos \varphi_{1} + a_{2} \cos \varphi_{2}}\)

\(\tan \varphi = \frac{a_{1} \sin \varphi_{1} + a_{2} \sin \varphi_{2}}{a_{1} \cos \varphi_{1} + a_{2} \cos \varphi_{2}}\)

\(\varphi = \textrm{Arctan }\frac{a_{1} \sin \varphi_{1} + a_{2} \sin \varphi_{2}}{a_{1} \cos \varphi_{1} + a_{2} \cos \varphi_{2}} \quad [\pi]\) (2 pts)

A.N. : \(y_{1} = 3 \sin(\omega t + \pi/6)\) et \(y_{2} = 4 \sin(\omega t - \pi/3)\)

\(y = a \sin(\omega t + \varphi)\)

avec

\(a = \sqrt{3^{2} + 4^{2} + 2 \times 3 \times 4 \times \cos (\pi/2)} = 5\) (1pt)

\(\varphi = \textrm{Arctan } \frac{3 \times (1/2) + 4 \times \left(-\sqrt{3}/2\right)}{3 \times \left( \sqrt{3}/2\right) + 4 \times (1/2)} = -\mathrm{23,13}^{\circ}\) (1pt)