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     OSCILLATEUR HARMONIQUE VERTICAL:
masse suspendue à un ressort

I   Objectifs
II  Matériel et montage: principe et mise en oeuvre
III Exploitation de l'enregistrement dans Regressi
IV  Graphe des paramètres lorsque k est connue 
V   Étude énergétique
 

Fichier Word correspondant

 N.B. : T.P. possible en utilisant le nouveau capteur Micrelec "Dynamomètre" pour prises DB15. 

I Objectifs

Étudier les oscillations libres verticales d'une masse suspendue à un ressort
Étalonner rapidement le ressort utilisé (détermination de la constante de raideur pour les 2 types de ressort: à spires jointives, ou non jointives)
Étudier la périodicité du mouvement, et déterminer les paramètres dont elle dépend ou non: masse, ressort, amplitude
Comparer (au moyen de différentes pages du même fichier) les effets sur la période de différentes masses, et de différents ressorts(1) 
Faire un changement d'origine vers la position d'équilibre
Calculer élongation angulaire, vitesse et accélération; observer leurs déphasages
Calculer les énergies cinétique et potentielle
Calculer l'énergie mécanique et vérifier sa conservation ou sa non conservation
Visualiser les transferts d'énergie (entre les formes potentielle et cinétique) au cours des oscillations.

II Matériel et montage: principe et mise en oeuvre

Le ressort vertical est suspendu au bras de mesure du capteur, qui est lui-même fixé de façon rigide sur un support.
La tension du ressort est à chaque instant proportionnelle (ou bien fonction affine dans le cas du ressort à spires jointives) à l'élongation: un capteur de force permet donc de connaître à chaque instant (à un coefficient de proportionnalité près) cette élongation, et de l'enregistrer.

 

A. Principe: la tension du ressort est l'image de l'élongation 

Le système choisi pour l'inventaire des forces appliquées détermine celles-ci:

SYSTÈME:

Masse seule Ressort seul

Bras capteur support

Relations entre forces appliquées: R= -k*x T'= -T
et R= -T
(principe actions réciproques)
R'= -T
Inventaire des forces:

        

 D'où en conclusion:

 R'= -k*x 

C'est-à-dire que la réaction du support (bras du capteur de force) est en permanence l'image de l'élongation x de la masse oscillante, à une constante de proportionnalité près (k).

B. Le capteur et sa mise en oeuvre 

Penser à brancher les haut-parleurs!

   
cliquer ici pour visionner

1. Cas du nouveau capteur (DB15) à reconnaissance auto réf M12P309

Bien SERRER sur le support vertical pour éviter tout microdéplacement du capteur pendant les oscillations

Consulter la fiche technique MICRELEC du capteur: DYNAMOMÈTRE/5 newtons pour GTI2/GTS2

(1) ==>
BRANCHER LE CAPTEUR DB15 SUR N'IMPORTE LAQUELLE DES PRISES G, H (I, J) DISPONIBLES

 

=> (2)==>
 LE CAPTEUR EST INSTANTANÉMENT RECONNU SUR L'ÉCRAN DU LOGICIEL D'ACQUISITION:

2. Cas de l'ancien capteur DIN 6 broches 

Consulter la fiche technique MICRELEC du capteur: DYNAMOMÈTRE pour GTI/GTS2

La prise DIN 6 broches doit être raccordée à la prise correspondante d'ORPHY-GTS2 (face avant), qui comporte l'alimentation (5 ou 12 V) nécessaire au fonctionnement du capteur.
Dans le cas de GTI2, il faut recourir à l'adaptateur DIN réfM12G504 ci-dessous
Bien SERRER sur le support vertical pour éviter tout microdéplacement du capteur pendant les oscillations
L'adaptateur se branche sur le côté gauche de GTI2, directement sur la carte du connecteur d'extension (à la place de la platine de raccordement) Sur ORPHY GTI2, les prises DIN 6 broches repérées A à F n'existent plus: il suffit alors de brancher l'adaptateur DIN pour GTI2 réf M12G504 pour disposer de ces prises (sur lesquelles se branche le module Transel, l'ancien module de pression, etc).

C. Le ressort; étalonnage manuel préalable avec Regressi

Il s'agit de tracer la courbe d'étalonnage du ressort R= f(x), pour en déduire sa constante de raideur k par une modélisation dans Regressi.

1. Principe 

On mesure l'allongement x= OM du ressort pour différentes valeurs de la masse m suspendue à son extrémité: un traitement dans le tableur REGRESSI permet ensuite de déduire l'intensité du poids, donc de la tension R en fonction de x.

2. Saisie dans REGRESSI et calcul de la tension R 

Les valeurs de m et x sont saisies manuellement dans REGRESSI: ouvrir la session avec Fichier/ Nouveau/ clavier. Les informations rentrées à ce stade (nom de variable, unité, etc.) dans la boite de dialogue pourront être éventuellement modifiées par la suite en double-cliquant sur la tête de colonne de chaque variable (onglet "Variables" de la fenêtre "Grandeurs" ); l'échelle (valeurs min/max) du graphique se modifie avec le bouton .

g=9.81_N.kg-1 ou g=9.81_Nkg-1 ou g=9.81_N/kg

pour créer la nouvelle grandeur x, et valider par la touche 'F2' (ou double frappe de la touche 'Entrée') ou en cliquant-G sur l'icône clignotante  ; le logiciel revoie:

g=9.81_Nkg-1 -> g=9.81 Nkg-1

sur la même ligne, et le résultat apparaît alors dans l'onglet 'Variables', avec son unité correcte (S.I.)(2).

Puis en passant à la ligne (touche "Entrée" comme dans un traitement de texte), saisir directement l'expression de R: 

R= m*g

Le logiciel ajoute automatiquement la "bonne" unité (N= syst. int.) SI la masse a bien été saisie en kg, et l'unité de g indiquée.

Pour positionner côte à côte le tableau et le graphe (qui se trace au fur et à mesure), demander "Fenêtre/Mosaïque verticale"). On peut constater que pour la plupart des ressorts, qui sont à spires jointives, la ligne des points obtenus est bien rectiligne, mais ne passe pas par l'origine: il faut une certaine tension R0 pour obtenir un début d'allongement.
Pour un traitement plus rapide avec plusieurs ressorts, passer au ressort suivant dans le même fichier par la commande "Page/Nouvelle". Penser à laisser un commentaire (identification de chaque ressort) dans la ligne de saisie correspondante (sous la barre de boutons principale). La navigation d'une page à l'autre se fait ensuite par les boutons , ou les raccourcis F7/F8.
Calcul de la nouvelle variable R: fenêtre "Grandeurs"/ onglet "Expressions", saisir d'abord la constante g en indiquant sa valeur, mais en respectant bien la syntaxe de Regressi; pour la saisie de l'unité, 3 modes sont possibles:

3. Exploitation par modélisation 

Dans la fenêtre 'Graphiques', clic-D pour choisir 'Modélisation' dans le menu contextuel, ou clic-G sur l'icône correspondante  (ou touche F9): un volet supplémentaire s'ouvre alors dans la partie gauche de la fenêtre graphique. Saisir dans la zone "Expression du modèle" le type de fonction choisi sous la forme (ici fonction linéaire):

R=k*x+R0

ce qui demande au logiciel de chercher pour quelles valeurs de k et R0 la courbe théorique colle au plus près des points expérimentaux. On peut utiliser en place de saisie manuelle des modèles prédéfinis (accès par clic-G sur icône correspondante  : dans ce cas, la modélisation porte uniquement sur la première variable située sur l'axe de gauche

Demander éventuellement (par exemple après avoir supprimé un point aberrant de l'acquisition) au logiciel d'ajuster (clic-G sur le bouton "ajuster" ) le modèle à la courbe expérimentale en calculant la valeur du paramètres figurant dans l'équation du modèle: Regressi passe automatiquement en mode graphique 'points' (au lieu de lissage entre les points), ajuste la courbe modèle aux points expérimentaux, et ajoute dans l'onglet 'Paramètres' de la fenêtre 'Grandeurs' une colonne par paramètre en y indiquant la valeur calculée par la modélisation (valeurs des paramètres qui figurent aussi dans la fenêtre graphique): ici k et R0.
Un clic-D sur la partie gauche du volet de modélisation permet de choisir "Copier modélisation" dans le menu contextuel: tous les résultats de la modélisation(valeurs, écarts, etc.) sont alors envoyés dans le presse-papiers, et il suffit de les "coller" dans n'importe quel éditeur de texte pour les récupérer.
Choisir "titre du graphe" pour faire afficher automatiquement

 

Procéder de même dans les 2 pages (touches F7-F8 pour changer de page, ou touches de navigation ); les résultats du calcul des paramètres de pages (valeurs de k et R0) sont résumés, avec leur unité, dans l'onglet "Paramètre" de la fenêtre "Grandeurs". 

charger le fichier Regressi

D. Le montage pour l'étude des oscillations 

Le ressort est directement suspendu au bras du capteur; on considère ce bras comme immobile pendant les oscillations et les variations de la tension R du ressort.

E. Réglages logiciels; acquisitions

L'écran d'acquisition est paramétré de façon à enregistrer les points R=f(t):

sur quelques secondes, de façon à obtenir de une à deux périodes, en vue de la détermination des caractéristiques du mouvement (périodicité, amplitude, période, élongation)
soit sur une durée beaucoup plus importante, pour disposer d'un grand nombre de périodes et observer l'amortissement des oscillations.

 

Abscisse:

Voies actives:

Enregistrement:

Déclenchement (synchro):

 

Temps

t

EAx:

Variable:

Signe:

Cal:

Unité:

Nombre points:

Durée:

Manuel
(Clavier ou clic sur bouton)

ou Relaxé

EA8

R

+

19.6

N

200

1 à 3 s

* avec ORPHY-PORTABLE 2, brancher: capsule "FORCE" M11P329.

Charger l'acquisition pré réglée:

* avec ORPHY-GTS2 * avec ORPHY-GTI2

* avec Orphy PORTABLE 2 

Lancer le mouvement en écartant la masse de sa position de repos, lâcher sans vitesse initiale, bien dans l'axe vertical du bras de suspension, et lancer aussitôt l'enregistrement (barre d'espace, ou clic-G sur le bouton "Acquisitions" ). Les conditions initiales sont donc:

élongation initiale
pas de vitesse initiale.

F. Transferts vers Regressi; paramètres de page

Demander le transfert vers Regressi avec le bouton : renseigner la boite de dialogue qui s'ouvre en indiquant ceux des paramètres de page qui sont éventuellement connus: m, et (ou) k.: nom, unité, valeur.

Ces valeurs des paramètres seront ensuite affichées dans l'onglet "Paramètres" de la fenêtre "Grandeurs" .

Ne pas confondre "PARAMETRES" et "VARIABLES"! NE JAMAIS MENTIONNER LES VARIABLES DANS CETTE BOITE!

1. Première page d'acquisition  

On trouve dans l'onglet "Variables":

Ä t et R 

Dans la fenêtre 'Graphiques'  (menu Fenêtre/graphe Variables), clic-D pour choisir 'Coordonnées' dans le menu contextuel, ou clic-G sur l'icône , pour vérifier qu'on a:

t en abscisses
R en ordonnées (à gauche).

 

 

2. Calcul de l'élongation (dans l'hypothèse où la valeur de k est connue)  

On a ainsi la représentation graphique de R= f(t). L'amortissement se distingue nettement dès qu'on a plus d'une oscillation, ainsi que la pseudo périodicité.

Revenir dans la fenêtre 'Grandeurs' , onglet 'Expressions', et saisir directement dans une nouvelle ligne (touche 'Entrée pour revenir à la ligne, comme dans un traitement de texte) de ce 'mémo':

   x= R/k ou bien: x= (R-R0)/k 

pour créer la nouvelle grandeur x, et valider par la touche 'F2' (ou double frappe de la touche 'Entrée') ou en cliquant-G sur l'icône clignotante  ; le résultat apparaît alors dans l'onglet 'Variables', avec son unité correcte (S.I.)(3).

On observe déjà dans les valeurs numériques de ce tableau que la correspondance avec t n'est pas du tout linéaire.

3. Pages suivantes (acquisitions transférées dans le même fichier)  

Pour réaliser ensuite une première étude qualitative, on peut par exemple:

Réaliser une 2è acquisition en conservant la valeur de m et en changeant celle de k
Réaliser une 3è acquisition en conservant la valeur de k et en changeant celle de m 

Procéder comme précédemment §II.E.), mais lors de l'ouverture de la boîte de renseignements sur le transfert des données vers Regressi, bien cocher "Nouvelle page", et renseigner la nouvelle valeur de l'angle. Dans Regressi, sauver au passage la nouvelle acquisition, et recommencer de même pour la 3è. Par comparaison avec la 1è page, on verra ainsi séparément sur les résultats l'influence: 

De m seule
De k seule.

III Exploitation de l'enregistrement dans Regressi

Dans la fenêtre 'Graphiques'  (menu Fenêtre/graphe Variables), clic-D pour choisir 'Coordonnées' dans le menu contextuel, ou clic-G sur l'icône , pour choisir x en ordonnée. On a alors la représentation de x= f(t)

A. Déterminations rapides de la période; amortissement

1. Amortissement 

Il apparaît clairement sur la graphique en comparant l'amplitude de chaque oscillation, ou dans le tableau des valeurs à chaque extremum.

2. Période

Le 'curseur données', à condition d'y cocher 'écart' et 'abscisse' indique alors en bas de la fenêtre graphique l'écart d t entre deux curseurs liés aux points expérimentaux, et qu'on peut déplacer par cliquer-glisser du pointeur: c'est le moyen le plus rapide de mesurer l'écart entre 2 points homologues d'une courbe x(t) et pouvoir annoter les flèches de cotation.

charger le fichier Regressi

On obtient ici:

3*d t= 1.73 s 

d'où d t= 1.73/ 3 » 0.58 s.

Un clic-D sur le graphique permet aussi de choisir dans le menu contextuel "caractéristiques de x(t)", et d'obtenir automatiquement la valeur de la période: l'indication est cohérente.

Dans le tableau des valeurs des variables, un examen des abscisses de chaque maximum permet aussi d'en déduire la période.

On procède de même dans chaque page d'acquisition, pour avoir des valeurs différentes de la période en fonction des paramètres m, ou k: les résultats sont stockés dans l'onglet "Paramètres".

 

B. Comparaisons qualitative et quantitative de la période entre les 3 pages d'acquisition (à m ou k égale)

1. Comparaison qualitative  

On constate pour la période Tmesurée que:

Elle croît avec m
Elle décroît avec k.

Ces résultats sont cohérents avec la formule théorique:  .

2. Comparaison quantitative  

Par comparaison des 3 pages d'acquisition précédentes, on obtient les résultats suivants:

Pour l'influence de m:
 

m

T

m1/m2

T1/T2

Page 1

400 g

0.58 s

4

=2

2

Page 2

100 g

0.30 s

Ce qui vérifie:

Pour l'influence de k:
 

k

T

k1/k3

T3/T1

Page 1

50

0.58 s

3.1

=1.8

1.86

Page 3

16

1.08 s

Ce qui vérifie:

On constate dans tous les cas que la formule théorique du pendule élastique est cohérente avec ces résultats expérimentaux: elle est vérifiée avec une très bonne précision (de l'ordre de 3%).

C. Élongation, vitesse et accélération: calculs et prolongements

1. Changement d'origine pour les abscisses

La position d'équilibre le la masse oscillante est en fait le centre de symétrie des oscillations (donc moyenne des valeurs de x pour la calculer facilement): il est judicieux de la choisir comme nouvelle origine, pour simplifier certaines formules de l'étude, en particulier celles concernant l'élongation (modélisation au §D.) ou l'énergie mécanique.

Les nouvelles variables (au sens de Regressi, en réalité elles-mêmes fonctions d'autres variables) se créent dans la fenêtre "Grandeurs" , onglet "Expressions", à la suite des commentaires(4) importés de l'acquisition. Dans

X= x-moy(x)   

et valider par la touche 'F2' (ou double frappe de la touche 'Entrée') ou en cliquant-G sur l'icône clignotante  ; le résultat apparaît alors dans l'onglet 'Variables', avec son unité correcte (S.I.).

Dans la fenêtre "Graphiques", cliquer-G sur l'icône  , et remplacer x(t) par X(t) pour l'ordonnée de la 1è courbe: le nouveau graphe est centré sur l'axe des temps.

2. Calculs de v et a   

Préalable: le calcul de la dérivée seconde (a) par voie logicielle introduit une incertitude trop grande ici s'il est fait sur un trop petit nombre de points: il faut donc choisir un plus grand nombre de points: aller pour cela dans les Options de REGRESSI, onglet "Calcul", et régler le "Nombre de points utilisés pour le calcul de la dérivée" au moins à 9!

Continuer dans la fenêtre "Grandeurs" , onglet "Expressions":

Pour la vitesse:

v=diff(X, t)  

L'accélération s'obtient par nouvelle dérivation:

a=diff(v, t)  

Dans la fenêtre "Graphiques", ajouter le graphe des variations de v(t): cliquer-G sur l'icône   , et ajouter à x(t) une 2è courbe (ordonnée v, à droite), puis valider. On peut alors observer le déphasage (quadrature avance).

3. Étude des déphasages de v(t) et a(t) par rapport à x(t)

Visualiser simultanément le déphasage de v(t) et a(t) par rapport à X(t) nécessite de recourir à l'affichage côte à côte de deux graphiques: dans la fenêtre 'Graphiques' , cliquer-G sur l'icône 'Deux graphes'  (qui reste enfoncée tant que ce mode est actif), ou cliquer-D pour choisir dans le menu contextuel 'deuxième graphe', qui se trouve alors coché jusqu'à nouvel ordre.

Passer à la demi fenêtre de droite (clic-G sur le graphe de droite pour le rendre actif(6)): demander x en ordonnée à gauche, ajouter une 2è courbe en choisissant a à droite
NB: l'action de copie de graphe (icône  ou clic-D sur fenêtre Graphique pour choisir 'copier graphe vers presse-papier') n'envoie dans le presse-papier que le seul graphe actif (celui qui est surmonté par le trait horizontal)

charger le fichier Regressi

On constate les déphasages: la vitesse est en quadrature avance sur l'abscisse, et l'accélération en opposition de phase.

Le curseur "Texte" permet de légender chaque graphique; ce qui nécessite préalablement de "faire de la place" en haut en diminuant la hauteur des courbes: faire un zoom en forçant manuellement l'échelle verticale à partir du bouton  ; dans la boîte de dialogue qui s'ouvre, choisir pour X, v (et a) un maximum augmenté d'environ 20%. Procéder de même dans le 2è graphique.

 4. Proportionnalité de x à a: calcul de la pulsation w 

On peut vérifier ici la propriété fondamentale de l'oscillateur harmonique donnée par son équation différentielle (a=-w²*X), par exemple en calculant le rapport a/X. Revenir dans la fenêtre 'Grandeurs' , onglet 'Expressions', et saisir directement dans une nouvelle ligne (touche 'Entrée pour revenir à la ligne, comme dans un traitement de texte) de ce 'mémo':

Coeff = -a/X (7)

pour créer la nouvelle grandeur coeff, et valider par la touche 'F2' (ou double frappe de la touche 'Entrée') ou en cliquant-G sur l'icône clignotante  ; la nouvelle variable apparaît alors dans l'onglet 'Variables'. On arrive à une 1è détermination w1 de w en utilisant la fonction statistique "moyenne"(5b), mais appliquée à la valeur absolue du rapport (-a/X) car celui-ci présente des valeurs négatives(8):

w1=moy(sqrt(abs(coeff)))

Le résultat apparaît dans l'onglet "Paramètres". Ici, on trouve:

w1= 10.8 s-1

(unité traduite en Hz par Regressi).

Ce résultat peut être confronté aux déterminations ultérieures de w, ainsi qu'à la valeur la période, et à celles de m et k. On trouve ainsi:

w1

11.2

10.8

22.4

27.8

6.4

6.2

ce qui représente une incertitude relative d'environ 4% dans les 2 meilleurs cas.

5. Évaluation de la pulsation w par modélisation de w=f(X)   

On peut modéliser directement la courbe a(x) par l'équation a= -w²*X. Pour cela, fenêtre "Graphiques": cliquer-G sur l'icône , et choisir:

X en abscisse
a en ordonnées

et demander le tri des données selon la variable t: fenêtre "Grandeurs" , onglet "Variables", bouton .

Dans la fenêtre 'Graphiques', clic-D pour choisir 'Modélisation' dans le menu contextuel, ou clic-G sur l'icône correspondante  (ou touche F9) pour saisir le modèle:

a= -w2*w2*X 

et cliquer-G sur le bouton "ajuster". On obtient ainsi une nouvelle détermination w2 du paramètre pulsation w (à comparer à w1): par exemple ici 10,6 au lieu de 10,8.

D. Modélisation de x(t) ou R(t); amortissement   

Revenir à un seul graphique, représentant par exemple x(t) et v(t). Retirer la 2è courbe (v(t))

S'assurer préalablement que l'unité d'angles active est bien le radian: fenêtre "Grandeurs" , onglet "Expressions" (bouton  visible).
Dans la fenêtre 'Graphiques' , clic-D pour choisir 'Modélisation' dans le menu contextuel, ou clic-G sur l'icône correspondante  (ou touche F9): un volet supplémentaire s'ouvre alors dans la partie gauche de la fenêtre graphique. Saisir dans la zone "Expression du modèle" le type de fonction choisi sous la forme (ici fonction sinusoïdale amortie):

X(t)=Xm*sin(2*p*t/Tmod+f)*exp(-t/t)

et pour tracer automatiquement les enveloppes supérieures et inférieures:

X(t):=Xm*exp(-t/t)

X(t):=-Xm*exp(-t/t)

ce qui demande au logiciel de chercher pour quelles valeurs de Xm, Tmod, f et t la courbe théorique colle au plus près aux points expérimentaux. On peut utiliser en place de saisie manuelle des modèles prédéfinis/ oscillations amorties (accès par clic-G sur icône correspondante(9)  : dans ce cas, la modélisation porte uniquement sur la première variable située sur l'axe de gauche

Demander au logiciel d'ajuster (clic-G sur le bouton "ajuster" ) le modèle à la courbe expérimentale en calculant la valeur des paramètres figurant dans l'équation du modèle: Regressi passe automatiquement en mode graphique 'points' (au lieu de lissage entre les points), ajuste la courbe modèle aux points expérimentaux, et ajoute dans l'onglet 'Paramètres' de la fenêtre 'Grandeurs' une colonne par paramètre en y indiquant la valeur calculée par la modélisation (valeurs des paramètres qui figurent aussi dans la fenêtre graphique)
Un clic-D sur la partie gauche du volet de modélisation permet de choisir "Copier modélisation" dans le menu contextuel: tous les résultats de la modélisation(valeurs, écarts, etc.) sont alors envoyés dans le presse-papiers, et il suffit de les "coller" dans n'importe quel éditeur de texte pour les récupérer.
Dans certains cas, la recherche faite par le programme avec le modèle sinusoïdal diverge: il est alors nécessaire d'initialiser la valeur des paramètres à la main: rentrer au clavier, dans la case de saisie correspondante, une valeur de Tmod proche de l'ordre de grandeur de celle qui a été retenue dans le paragraphe précédent, et demander l'ajustage des autres paramètres

charger le fichier Regressi

On peut aussi placer le curseur dans la case où figure la valeur des autres paramètres, et en modifier la valeur par clic-G sur les flèches de défilement 1/3 situées à côté (NB: changement de signe uniquement par clic sur le bouton  ), jusqu'à ce que la courbe modèle s'ajuste aux points expérimentaux (il faut pour cela que le bouton 'Tracé auto  soit enfoncé). Cette méthode sera indispensable si la valeur obtenue pour l'amplitude s'avère négative(10), et si celle obtenue pour f sort de l'intervalle {-p , +p }: les résultats de la modélisation doivent alors être ajustés de façon à obtenir la détermination principale de j , et aussi de façon à ce que fréquence et amplitude soient positives (forme canonique)!

NB: ces valeurs de f ne représentent pas les déphasages des grandeurs entre elles, mais les "phases à l'origine"!

Un clic sur le bouton  permet de faire afficher sur le graphique l'équation des modèles (choisir "Options/ Titre du graphe" dans les versions récentes de Regressi).

Ces déterminations nouvelles de la période fournissent, moyennant calcul (d'après puisqu'on connaît la masse m, une nouvelle détermination de la constante de raideur k du ressort:

IV Graphe des paramètres T= f(m) lorsque k est inconnue 

Principe de cette étude: 
avec un même ressort (donc k constant), on enregistre R(t) avec une masse m différente dans chaque page d'un même fichier. La modélisation donne un ensemble de valeurs de T associées aux valeurs de m (paramètres). Le "graphe des paramètres" est la page(11) qui représente et permet d'étudier par exemple T en fonction de m, ce qui permettra par exemple de retrouver; par modélisation dans cette page de la relation Tf(m), la valeur de k.

A. Acquisition des nouvelles pages avec le MÊME ressort dans un MÊME fichier

1. Acquisitions transférées dans le même fichier 

Réaliser la 1è acquisition comme précédemment (§II.E.), sans indiquer la valeur de k si elle connue, lors du transfert
Lors de la 2è acquisition (= la 2è valeur de m), bien cocher "nouvelle page" lors du transfert, et préciser la valeur de masse m utilisée
Une fois dans le tableur REGRESSI, sauver, et basculer à nouveau dans le logiciel d'acquisition par la combinaison "Alt+Tab", ou par le bouton  (ou par les boutons de la barre des tâches)
Changer la masse et procéder à une nouvelle acquisition après avoir ajusté la durée d'acquisition
  Transférer toujours dans une NOUVELLE PAGE du même fichier (en saisissant au passage dans la boite de dialogue du transfert la nouvelle valeur de la masse)
Et ainsi de suite, pour constituer autant de pages que de valeurs possibles de m.

2. Regroupement éventuel dans un fichier UNIQUE d'acquisitions déjà transférées dans plusieurs fichiers

Ouvrir un des fichiers
La commande "Fichier/ Fusionner"(12) permet de choisir le fichier qui sera rajouté dans le fichier ouvert sous forme d'une nouvelle page
Procéder ainsi jusqu'à obtenir le nombre de pages souhaitées
Sauver le nouveau fichier ainsi obtenu sous un nouveau nom

NB: les fichiers ainsi réunis doivent obligatoirement avoir la même structure (noms de variables, ordre dans le tableau, etc.)

B. Modélisation de R(t) ou x(t) dans chaque page

Il suffit en faisant défiler les pages successives (clic sur flèche de défilement  1/3  sous la barre de menus, ou menu "Pages/Suivante, ou raccourci F8) de cliquer à chaque fois sur le bouton "Ajuster"  puisque le modèle est toujours le même. Les résultats successifs sont stockés au fur et à mesure dans l'onglet "Paramètres" de la fenêtre 'Grandeurs' .
 Faire afficher l'équation du modèle avec  (choisir "Options/ Titre du graphe" dans les versions récentes de Regressi).

C. Graphe des paramètres T= f(m), et modélisation dans cette nouvelle représentation 

Vérifier dans l'onglet "Paramètres" de la fenêtre "Grandeurs" la présence des colonnes de valeurs en regard pour la période Tmod et la masse m.
Ouvrir la fenêtre 'Graphe des paramètres' soit par clic-G sur son icône située sous la barre de menus générale (juste à droite de l'icône 'Statistiques'), soit par le menu 'Fenêtres'
En accédant au menu 'Coordonnées' ou bouton  de cette fenêtre Graphe des Paramètres, choisir la représentation Tmod= f(m); constater qu'elle n'est pas linéaire…
Demander de modéliser cette représentation avec le modèle:

Tmod=2*p*sqrt(m/k1)   

  

  

Cliquer sur le bouton "Choix des pages de cette page et sélectionner les seules pages se référant à une même constante de raideur parmi toutes les pages d'acquisition: ce sont alors les seules pages prises en compte par le logiciel pour les valeurs des paramètres, càd pour les points (m, Tmod) pris en compte pour calculer ce nouveau modèle.

charger le fichier Regressi

La valeur obtenue pour k concorde avec celle déterminée par étalonnage. Cliquer sur l'icône   pour titrer le graphique avec l'équation du modèle.

V Étude énergétique

On suppose ici que les étude précédentes ont permis d'obtenir les valeurs de la vitesse et de l'accélération.

A. Calcul de différentes formes d'énergie

On possède donc tous les éléments pour calculer et représenter les variations d'énergie mécanique du système. Dans la fenêtre "Grandeurs", onglet "Expressions", saisir sur une nouvelle ligne (saut de ligne par touche "Entrée") du "mémo" les paramètres de page(13), avec leurs unités (sauf si elles figurent déjà dans l'onglet "Paramètres" de la fenêtre "Grandeurs à la suite des calculs de modélisation):

m=0.4_kg
k=47_N/m

Après mise à jour, le logiciel renvoie:

 m=0.4_kg -> m=400 g

 k=47_N/m -> k=47 N/m

(couleurs au choix dans les "Options générales"). Ces valeurs peuvent donc ensuite être utilisées pour les calculs de nouvelles variables.

1. Énergie cinétique  

(celle de la masse)

 Ec= ½ *m*sqr(v)

Après validation, la variable correspondante apparaît dans une nouvelle colonne de l'onglet "Variables".

2. Énergie potentielle  

(celle du ressort)

 Ep= ½*k*sqr(X)

et valider (F2).

3. Énergie mécanique

Rentrer alors:                Em= Ep + Ec

pour créer l'énergie mécanique

Observer dans le tableau des variables les variations éventuelles de l'énergie mécanique (cas de frottements parasites dans le banc) ou sa constance.

 

B. Visualisation graphique des échanges d'énergie  

1. Représentation temporelle  

Passer dans la Fenêtre "Graphiques" et demander dans la boîte "Coordonnées", ou , l'affichage en fonction du temps des 3 courbes Ep, Ec, et Em à gauche, en plaçant éventuellement X ou v sur l'axe de droite. On voit alors très bien l'effet de "vase communiquant" de l'énergie entre ses formes potentielle et cinétique, au cours du mouvement. L'énergie mécanique décroît régulièrement à cause de l'amortissement: l'énergie dissipée par les frottements n'et pas du tout négligeable par rapport à l'ordre de grandeur de l'énergie totale sur quelques périodes.

On peut restreindre éventuellement l'intervalle de temps affiché (zoom) à partir du bouton  d'échelle manuelle: fixer alors la valeur maximum du temps (par exemple 1.0 ms: voir dernier graphique).

Pour légender les courbes, on peut utiliser:

soit le bouton automatique d'identification des courbes  (déplacer ensuite les légendes(14) par cliquer-glisser)
Soit le "Curseur texte": cliquer à l'endroit voulu.

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2. Représentation spatiale: puits de potentiel

Supprimer l'affichage de X à droite, et demander l'affichage en fonction de X des 3 courbes Ep, Ec, et Em à gauche; on observe alors très bien le puits de potentiel de l'oscillateur harmonique, ainsi que le va-et-vient entre les formes cinétique et potentielle de l'énergie. La dissipation progressive d'énergie du système est davantage visible dans le décalage progressif de la courbe Ec(X)
on peut se limiter à une seule période, par exemple la première, en supprimant toutes les lignes suivantes du tableau des variables: sélectionner toutes les lignes à supprimer en les mettant en sur brillance par un cliquer-glisser (ou plus rapide: en cliquant à chaque extrémité de la partie à supprimer et en maintenant enfoncée la touche "majuscule"), puis appuyer sur .

On peut obtenir la représentation côte à côte des 2 graphiques en utilisant préalablement le bouton .

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(1)  Ce que ne permet pas l'oscillateur harmonique horizontal de Magnum, puisque son mobile et le jeu de ressorts sont uniques.

(2) Du moins si celle de k a été rentrée préalablement… Mais il n'est jamais trop tard…

(3)  Du moins si celle de k a été rentrée préalablement… Mais il n'est jamais trop tard…

(4) Les lignes de commentaires sont celles qui débutent par le signe '

(5)  Consulter l'aide sur la syntaxe par l'icône  

(5b)  Consulter l'aide sur la syntaxe par l'icône   

(6) Une ligne colorée horizontale marque le haut de la fenêtre de celui des 2 graphes qui est actif. 

(7) U

(8)  dues à l'incertitude logicielle dans le calcul de la dérivée seconde deX

(9) Accessible seulement si ce choix a été coché dans l'onglet 'Modélisation' du menu 'Options'.

(10)  Une solution correcte mathématiquement ne convient pas toujours physiquement!

(11) Dans cette page particulière, les variables sont en fait les paramètres des autres pages!

(12)  Et non pas la commande "Pages/ Grouper" qui a pour effet de réunir dans une seule page les différentes pages d'un même fichier…! 

(13)  Pour les paramètres indépendants des pages, taper quelque chose du type g=9.81 ou m=0.400_g permet d'avoir des formules littérales dans la suite.

(14)  modifiables: pour les éditer, double-cliquer sur la légende

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