électricité (PCSI) · Chapitre 4 · Application directe du cours
L'analogie électromécanique : simuler une suspension
Oscillations libres : circuits LC et RLC · niveau 2
Énoncé
On modélise un quart de voiture par une masse posée sur un ressort de raideur et un amortisseur de coefficient de frottement fluide (force ). L'écart à l'équilibre vérifie (équation de l'oscillateur mécanique amorti, établie en mécanique).
1) Écrire l'équation du RLC série pour la charge du condensateur. Établir le dictionnaire entre grandeurs électriques et mécaniques (, , , , ), puis celui des énergies et de la puissance dissipée.
2) Calculer et la fréquence propre de la suspension. Quelle valeur de donne le régime critique ?
3) On veut construire un simulateur électrique de cette suspension, mille fois plus rapide (), avec un condensateur . Quelle inductance faut-il ? Quelle résistance simule l'amortissement critique ?
4) L'amortisseur réel a . Quel est le facteur de qualité de la suspension ? Quelle résistance faut-il dans le simulateur ? Quel intérêt ce réglage présente-t-il, sachant que, pour un oscillateur amorti, le temps de réponse à est minimal pour ?
Corrigé
1) Les deux dictionnaires. La loi des mailles du RLC série en régime libre, avec et , s'écrit . La comparaison terme à terme avec donne
Le dictionnaire se prolonge aux énergies : (l'énergie magnétique est l'analogue de l'énergie cinétique : la bobine est l'inertie du circuit), (le condensateur est le ressort), et (la résistance est le frottement). Le bilan est la traduction exacte du bilan d'énergie du RLC série, . Par suite, et .
2) La suspension. , soit : c'est l'ordre de grandeur du rebond d'une voiture qu'on appuie puis relâche. Le régime critique correspond à , soit . On transpose ainsi, sans le refaire, un résultat du cours ().
3) Le simulateur. , et . Des composants ordinaires : le simulateur reproduit en une milliseconde ce que la voiture fait en une seconde, et l'on change l'amortisseur en tournant un potentiomètre. C'est l'idée de la simulation analogique.
4) Le réglage. . Dans le simulateur, le même s'obtient avec (ou, par proportionnalité, ). L'analyse du temps de réponse a montré que donne le retour le plus rapide à 5 % près, au prix d'un dépassement de quelques pour cent : la caisse revient vite à l'équilibre sans rebondir de façon perceptible.
Ce que l'exercice installe. L'analogie n'est pas une ressemblance mais une identité d'équations, et elle s'étend aux énergies : tout résultat établi pour l'un des oscillateurs se transpose à l'autre par le dictionnaire, sans nouvelle démonstration. Changer d'échelle de temps ne change pas : c'est lui, et lui seul, qui fixe la forme de la réponse.
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