Ex: analyse dimensionnelle
Difficulté : ☆
Temps : 20 min
Question 1)
On étudie les oscillations d'un pendule à l'aide d'une simple analyse dimensionnelle. Enumérer les paramètres physiques qui interviennent dans ce problème.
Solution
Les paramètres physiques qui interviennent sont : la masse oscillante m, la longueur l du pendule, la période d'oscillation p, l'angle initial et la pesanteur g (on néglige au premier ordre les autres paramètres tels que le frottement ou la masse du fil, qui décrivent des écarts au problème idéal).
Question 2)
Combien de grandeurs et de dimensions indépendantes interviennent dans le problème ? Combien de nombres sans dimension peut-on construire avec celles-ci ?
Solution
Au total, on a 5 grandeurs et 3 dimensions physiques indépendantes (longueur, temps et masse). La relation cherchée peut donc s'écrire comme une relation entre deux nombres sans dimension construits avec ces 5 grandeurs.
Question 3)
Dériver ces nombres sans dimension.
Solution
Le premier nombre est évidemment l'angle initial , sans dimension.
Le second nombre est de la forme
L'équation aux dimensions est
, donc est sans dimension.
Question 4)
Ecrire une relation décrivant le problème. Commenter.
Solution
Le relation cherchée est de la forme , soit
Le calcul à partir de l'équation du mouvement donne , et l'expérience confirme que la période ne dépend pas de l'angle initial si celui-ci est petit. On a montré sans le moindre effort la forme générale de la période (à une constante près) et le fait qu'elle ne dépend pas de la masse du pendule.