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mécanique (PTSI) · Chapitre 4 · Exercice de TD

Réponse à un échelon : pourquoi ?

Oscillateurs mécaniques · B. L'oscillateur amorti par frottement visqueux · niveau 3 (difficile)

Énoncé

La suspension d'une roue de voiture est modélisée par une masse sur un ressort de raideur , avec un amortisseur de coefficient . À l'instant , la masse étant au repos à l'équilibre, on lui applique brutalement une force verticale constante (un échelon). On note son déplacement, , et .

1) Écrire l'équation du mouvement et les conditions initiales. Calculer et .

2) Régime pseudo-périodique. Résoudre et montrer que , avec et . Montrer que le premier maximum a lieu en et que le dépassement relatif vaut .

3) Régime critique. Montrer que , sans dépassement. On définit le temps de réponse à , , comme l'instant à partir duquel reste dans l'intervalle . Montrer que est solution de , et vérifier que .

4) Pour quelle valeur de le dépassement vaut-il exactement ? Pour ce réglage, on trouve . Comparer au régime critique. Que se passe-t-il pour un peu supérieur à ?

5) Calculer, pour la voiture, les temps de réponse et les coefficients correspondants au critique et à . Pour un VTT de descente (, ), quel est le coefficient critique ? Conclure.

Corrigé

1) L'équation. La loi de la quantité de mouvement, l'origine étant prise à l'équilibre initial (le poids est compensé par la précontrainte du ressort), donne , soit Les conditions initiales traduisent la continuité de la position et de la vitesse : une force finie ne peut pas faire sauter la vitesse. , .

2) Le pseudo-périodique. La solution est la somme d'une solution particulière constante, , et de la solution générale de l'équation homogène : . La condition donne ; la condition donne . D'où l'expression annoncée. En dérivant, et en utilisant : La vitesse s'annule pour ; le premier extremum après est en , où et : . Comme , Cas limites : quand (pas de dépassement au critique), quand (oscillation non amortie autour de , entre et ).

3) Le critique. Racine double : , avec et , soit . D'où . Sa dérivée est positive : croît vers sans jamais le dépasser. Il entre dans la bande des quand avec ; cette fonction est décroissante, et la résolution numérique (par dichotomie) donne .

4) Le réglage à . équivaut à , soit . Pour ce réglage, la réponse monte plus vite (le facteur d'amortissement est plus faible), dépasse d'exactement au premier maximum, puis ne quitte plus la bande : est l'instant où elle y entre, , contre au critique. Le réglage est donc environ plus rapide que le critique, au prix d'un petit dépassement. Pour un peu supérieur à , le premier dépassement sort de la bande, et devient l'instant où la réponse y revient après ce maximum : il saute à ou plus. Quelques valeurs numériques : pour , pour , pour , pour , pour .

Le point délicat — et la correction d'une phrase répandue. Le régime critique est le retour le plus rapide sans dépassement ; il n'est pas le plus rapide à près. L'exercice précédent le montrait aussi : le critique minimise la constante de temps de l'enveloppe, pas le temps d'entrée dans une bande de tolérance.

5) La voiture et le VTT. Au critique : et . Pour : et . Les constructeurs règlent en effet les amortisseurs autour de à : un seul petit rebond, un retour rapide, un compromis entre confort et tenue de route. Pour le VTT : (avec ). En descente, un rebond fait décoller la roue et perdre l'adhérence : on se règle au voisinage du critique, sans dépassement.

Ce que l'exercice installe. Résoudre une équation du second ordre à second membre constant : solution particulière, solution homogène, deux conditions initiales justifiées par la continuité. Quantifier un régime transitoire par deux nombres, le dépassement et le temps de réponse à . Et savoir que « le plus rapide » dépend du critère : sans dépassement, c'est le critique ; à près, c'est .

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