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électromagnétisme (PT) · Chapitre 1 · Exercice de TD

Gauss pour la gravitation : le tunnel à travers la Terre et le maximum de

Électrostatique · H. Analogie avec le champ gravitationnel · niveau 3 (difficile)

Énoncé

On néglige la rotation de la Terre. Dans les questions 1 et 2, la Terre est une boule homogène de rayon , où le champ de pesanteur vaut à la surface. Le théorème de Gauss gravitationnel s'écrit .

1) Par analogie avec la boule uniformément chargée, établir la norme du champ de pesanteur à la distance du centre, pour et pour , en fonction de , et .

2) On creuse un tunnel rectiligne selon une corde quelconque, dont la distance au centre est ; est le milieu du tunnel et l'on repère un point du tunnel par . Un objet y est lâché sans vitesse depuis une extrémité et glisse sans frottement. Montrer que son mouvement est sinusoïdal ; calculer sa période et la durée de la traversée. Quelle est la vitesse maximale pour un tunnel qui passe par le centre ? La comparer à la vitesse d'un satellite en orbite circulaire au ras du sol, et comparer les périodes.

3) La Terre n'est pas homogène. Modèle à deux couches : un noyau de rayon et de masse volumique , un manteau de masse volumique . Vérifier que ce modèle donne la bonne masse (). Calculer à la surface du noyau et à la surface de la Terre. Où est-il maximal ?

4) Montrer que , où est la masse volumique locale et la masse volumique moyenne de la boule de rayon . Qu'en déduit-on pour le modèle à deux couches ? pour la vraie Terre, dont la croûte et le haut du manteau ont une masse volumique de à ?

Corrigé

La stratégie. L'analogie (, ) permet de traiter Gauss gravitationnel comme son modèle électrique. Le champ intérieur, proportionnel à , fait du tunnel un oscillateur harmonique ; pour la Terre réelle, seule compte la masse intérieure.

1) Le champ d'une boule homogène. Par symétrie sphérique, (attractif). Sur la sphère de rayon : . Pour , et . Pour , et Exactement comme dans la boule chargée, au signe près : la gravitation est toujours attractive.

2) Le tunnel : 84 minutes, quelle que soit la corde. Le poids et la réaction des parois, perpendiculaire au tunnel, s'exercent sur l'objet. Projetons sur le vecteur unitaire du tunnel, avec et : Mouvement sinusoïdal autour de , de pulsation , et de période indépendante de : la composante de la pesanteur le long du tunnel ne dépend que de . La traversée dure , de Paris à Londres comme de Paris à Sydney. La vitesse maximale, au milieu, vaut ; pour un diamètre, . L'orbite rasante () a la même vitesse et la même période : le mouvement dans le tunnel diamétral est la projection du mouvement circulaire du satellite rasant. Négligés : frottements, rotation de la Terre (Coriolis), inhomogénéité (questions suivantes).

3) Le modèle à deux couches : est maximal à la surface du noyau. Masse : soit une masse volumique moyenne : le modèle est cohérent. Dans le noyau, , linéaire, jusqu'à et à la surface . Dans le manteau, : en descendant depuis la surface, diminue d'abord jusqu'à un minimum d'environ vers (à de profondeur), puis augmente jusqu'à son maximum, , à la limite du noyau, à de profondeur. Contrairement au modèle homogène, le maximum de n'est pas à la surface : la masse est concentrée au centre.

4) Le critère des deux tiers. Avec et (masse d'une coquille d'épaisseur ) : augmente quand on descend () là où la masse volumique locale est inférieure aux deux tiers de la masse volumique moyenne de ce qui est en dessous : en descendant, on perd l'attraction d'une couche peu dense, mais on se rapproche d'un centre dense. Modèle à deux couches : à la surface, , donc diminue en descendant ; le minimum est atteint où , ce qui redonne . Vraie Terre : la croûte et le haut du manteau ( à ) sont moins denses que : augmente légèrement quand on descend sous la surface, ce que confirment les mesures dans les mines profondes ; et, la densité du manteau croissant avec la profondeur, y varie peu, entre et sur la plus grande partie de son épaisseur, avant d'atteindre son maximum, , à la limite du noyau.

Ce que l'exercice installe. L'analogie électrostatique-gravitation est opératoire : même théorème de Gauss, mêmes surfaces, mêmes résultats, au signe près. Le champ intérieur d'une boule homogène, proportionnel à la distance au centre, donne un oscillateur harmonique de période , celle de l'orbite rasante. Et un réflexe : seule compte la masse intérieure ; le critère dit où augmente en descendant.

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