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mécanique (PCSI) · Chapitre 7 · Exercice classique

L'assistance gravitationnelle : voler la vitesse d'une planète

Mouvements dans un champ de force centrale conservatif · niveau 3 (difficile)

Énoncé

Lancées en 1977, les sondes Voyager n'avaient pas assez de carburant pour les planètes lointaines. Les ingénieurs ont utilisé une « fronde gravitationnelle » : en frôlant Jupiter (qui se déplace à ), la sonde en ressort beaucoup plus rapide dans le référentiel du Soleil, sans carburant.

  • Dans le référentiel de la planète (galiléen approché), l'interaction est conservative. Que dire de la norme de la vitesse de la sonde avant et après le survol ?
  • Survol « frontal idéal » : dans le référentiel de la planète, la sonde arrive à et repart à . La planète a la vitesse dans le référentiel du Soleil. Exprimer la vitesse de la sonde après survol dans le référentiel du Soleil.
  • En déduire le gain et montrer qu'il vaut au mieux .
  • Avec , estimer . Commenter (vitesse typique de sonde ).
  • Qui « paie » cette énergie ? Justifier par la conservation de la quantité de mouvement.

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