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Feuille d'entraînement : Cinématique et dynamique du point

10 questions · filière MPSI · durée estimée environ 37 min

Énoncés

  1. Exercice 1ENAC Physique MPSI 2026, Q10· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 4 min

    Déterminer l'équation du mouvement de :

    A) avec B) avec C) avec D) avec

  2. Exercice 2ENAC Physique MPSI 2026, Q11· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 4 min

    Le palet est abandonné sans vitesse initiale depuis la position . Déterminer :

    A) B) C) D)

  3. Exercice 3ENAC Physique MPSI 2025, Q2· Application directe· Incontournable· ≈ 2 min

    Exprimer les composantes de la vitesse de M : A) B) C) D)

  4. Exercice 4ENAC Physique MPSI 2025, Q3· Application directe· Incontournable· ≈ 3 min

    Exprimer les composantes de l'accélération de M ; A) B) C) D)

  5. Exercice 5ENAC Physique MPSI 2024, Q8· Application directe· Incontournable· ≈ 4 min

    Quelle relation et doivent-ils satisfaire pour que la cible soit atteinte?

    A) B) C) D)

  6. Exercice 6ENAC Physique MPSI 2024, Q9· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 4 min

    On fixe (jusqu'à la fin de cet exercice), devenant alors le seul paramètre variable. La cible n'est atteinte que lorsque:

    où et sont des coefficients indépendants de . Exprimer .

    A) B) C) D)

  7. Exercice 7ENAC Physique MPSI 2024, Q11· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 5 min

    La cible peut être atteinte si son altitude ne dépasse pas une altitude limite . Exprimer :

    A) B) C) D)

  8. Exercice 8ENAC Physique MPSI 2023, Q25· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 4 min

    Quelles sont les équations du mouvement de ? Dans les expressions ci-dessous, désigne la composante normale de la force de réaction du support hémisphérique.

    A) B) C) D)

  9. Exercice 9ENAC Physique MPSI 2023, Q28· Intermédiaire· Incontournable· ≈ 4 min

    Déduire de ce qui précède l'expression de la composante normale de la force de réaction.

    A) B) C) D)

  10. Exercice 10ENAC Physique MPSI 2022, Q8· Application directe· Incontournable· ≈ 3 min

    On note le vecteur accélération du skieur au point . Que peut-on affirmer :

    A) B) C) D)

Corrigés

  1. Exercice 1ENAC Physique MPSI 2026, Q10

    Le référentiel \mathcal{R} du laboratoire étant supposé galiléen, le moment cinétique du palet A par rapport au point fixe O s'écrit :

    \mathbf{L}_O(A) = \mathbf{OA} \times m\mathbf{v}(A)

    Le mouvement étant circulaire de rayon b dans le plan (O, \mathbf{e}_X, \mathbf{e}_Y), la vitesse s'exprime en coordonnées polaires par \mathbf{v}(A) = b\dot{\theta}\,\mathbf{e}_\theta. Il vient ainsi :

    \mathbf{L}_O(A) = b\,\mathbf{e}_r \times m(b\dot{\theta}\,\mathbf{e}_\theta) = mb^2\dot{\theta}\,\mathbf{e}_Z

    D'après le théorème du moment cinétique au point O :

    \frac{\mathrm{d}\mathbf{L}_O(A)}{\mathrm{d}t} = \mathbf{M}_O(\mathbf{P}) + \mathbf{M}_O(\mathbf{R})

    En projetant cette relation sur l'axe fixe (O, \mathbf{e}_Z), et en utilisant les résultats des questions Q8 et Q9 :

    \begin{aligned} \frac{\mathrm{d}\mathbf{L}_O(A)}{\mathrm{d}t} \cdot \mathbf{e}_Z &= mb^2\ddot{\theta} \\ \mathbf{M}_O(\mathbf{P}) \cdot \mathbf{e}_Z &= -mgb\sin\alpha\sin\theta \\ \mathbf{M}_O(\mathbf{R}) \cdot \mathbf{e}_Z &= 0 \end{aligned}

    On en déduit :

    mb^2\ddot{\theta} = -mgb\sin\alpha\sin\theta

    soit, en simplifiant par mb^2 > 0 :

    \ddot{\theta} + \frac{g\sin\alpha}{b}\sin\theta = 0

    En posant \omega_0 = \sqrt{\dfrac{g\sin\alpha}{b}}, l'équation du mouvement s'écrit :

    \boxed{\ddot{\theta} + \omega_0^2\sin\theta = 0 \quad \text{avec} \quad \omega_0 = \left(\frac{g\sin\alpha}{b}\right)^{1/2}}

    La réponse correcte est la proposition B.

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  2. Exercice 2ENAC Physique MPSI 2026, Q11

    D'après la question Q10, l'équation différentielle régissant le mouvement du palet s'écrit :

    \ddot{\theta} + \omega_{0}^2 \sin\theta = 0 \quad \text{avec} \quad \omega_0 = \sqrt{\frac{g\sin\alpha}{b}}

    Multiplions cette relation par \dot{\theta} :

    \dot{\theta}\ddot{\theta} + \omega_{0}^2 \dot{\theta}\sin\theta = 0

    ce qui équivaut à la dérivée temporelle suivante :

    \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t}\left( \frac{1}{2}\dot{\theta}^2 - \omega_{0}^2 \cos\theta \right) = 0

    La quantité entre parenthèses est donc constante au cours du mouvement :

    \frac{1}{2}\dot{\theta}^2 - \omega_{0}^2 \cos\theta = \text{cte}

    En utilisant la condition initiale d'un lâcher sans vitesse initiale depuis \theta = \theta_0, soit \dot{\theta}(\theta_0) = 0 :

    \text{cte} = -\omega_{0}^2 \cos\theta_{0}

    On en déduit :

    \begin{aligned} \frac{1}{2}\dot{\theta}^2 &= \omega_{0}^2 \left(\cos\theta - \cos\theta_{0}\right) \\ \dot{\theta}^2 &= 2\omega_{0}^2 \left(\cos\theta - \cos\theta_{0}\right) \end{aligned}

    En prenant la racine carrée, on obtient l'expression de la vitesse angulaire :

    \boxed{\dot{\theta}(\theta) = \pm\sqrt{2}\omega_{0}\left(\cos\theta - \cos\theta_{0}\right)^{1/2}}

    Le double signe \pm traduit le fait que le mobile effectue des allers-retours dans la cuvette.

    La bonne réponse est l'affirmation A.

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  3. Exercice 3ENAC Physique MPSI 2025, Q2

    Dans le référentiel \mathcal{R} muni de la base polaire (\boldsymbol{e}_r, \boldsymbol{e}_\theta), le vecteur position du point \mathrm{M} s'écrit :

    \mathbf{OM}(t) = r(t)\,\boldsymbol{e}_r

    Par dérivation par rapport au temps dans le référentiel \mathcal{R}, le vecteur vitesse de \mathrm{M} est donné par :

    \boldsymbol{v}(t) = \left(\frac{\mathrm{d}\mathbf{OM}}{\mathrm{d}t}\right)_{\mathcal{R}} = \dot{r}(t)\,\boldsymbol{e}_r + r(t)\dot{\theta}(t)\,\boldsymbol{e}_\theta

    Les composantes du vecteur vitesse sont donc :

    \begin{aligned} v_r(t) &= \dot{r}(t) \\ v_\theta(t) &= r(t)\dot{\theta}(t) \end{aligned}

    À partir des équations horaires fournies par l'énoncé :

    r(t) = r_0 \text{e}^{-t/\tau} \quad \text{et} \quad \theta(t) = \Omega t

    on obtient en dérivant par rapport à t :

    \begin{aligned} \dot{r}(t) &= -\frac{r_0}{\tau}\,\text{e}^{-t/\tau} \\ \dot{\theta}(t) &= \Omega \end{aligned}

    On en déduit les expressions des composantes :

    \begin{aligned} v_r(t) &= -\frac{r_0}{\tau}\,\text{e}^{-t/\tau} \\ v_\theta(t) &= r_0\Omega\,\text{e}^{-t/\tau} \end{aligned}

    Les réponses B et C sont donc exactes.

    \boxed{\text{Réponses B et C}}

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  4. Exercice 4ENAC Physique MPSI 2025, Q3

    Dans le repère polaire lié au référentiel d'étude \mathcal{R}, le vecteur accélération s'exprime sous la forme :

    \boldsymbol{a} = (\ddot{r} - r\dot{\theta}^2)\,\boldsymbol{e}_r + (r\ddot{\theta} + 2\dot{r}\dot{\theta})\,\boldsymbol{e}_\theta

    À partir des équations horaires r(t) = r_0 e^{-t/\tau} et \theta(t) = \Omega t, on détermine les dérivées successives :

    \begin{aligned} \dot{r}(t) &= -\frac{r_0}{\tau} e^{-t/\tau}, & \ddot{r}(t) &= \frac{r_0}{\tau^2} e^{-t/\tau} \\ \dot{\theta}(t) &= \Omega, & \ddot{\theta}(t) &= 0 \end{aligned}

    On en déduit la composante radiale de l'accélération :

    a_r(t) = \ddot{r} - r\dot{\theta}^2 = \frac{r_0}{\tau^2} e^{-t/\tau} - (r_0 e^{-t/\tau})\Omega^2 = r_0\left(\frac{1}{\tau^2} - \Omega^2\right) e^{-t/\tau}

    ce qui correspond à la proposition A.

    Pour la composante orthoradiale :

    a_\theta(t) = r\ddot{\theta} + 2\dot{r}\dot{\theta} = 0 + 2\left(-\frac{r_0}{\tau} e^{-t/\tau}\right)\Omega = -\frac{2r_0\Omega}{\tau} e^{-t/\tau}

    ce qui correspond à la proposition D.

    \boxed{\text{Réponses A et D}}

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  5. Exercice 5ENAC Physique MPSI 2024, Q8

    Le projectile A est soumis uniquement à son poids dans le référentiel du laboratoire supposé galiléen. La deuxième loi de Newton s'écrit :

    m \mathbf{a} = m \mathbf{g} = -mg \, \mathbf{e}_z

    En projetant sur les axes O\mathbf{e}_x et O\mathbf{e}_z, avec les conditions initiales \mathbf{r}(0) = \mathbf{0} et \mathbf{v}(0) = v_0 \cos\theta \, \mathbf{e}_x + v_0 \sin\theta \, \mathbf{e}_z, on obtient par intégrations successives :

    \begin{aligned} x(t) &= (v_0 \cos\theta) t \\ z(t) &= -\frac{1}{2}gt^2 + (v_0 \sin\theta) t \end{aligned}

    Tant que \cos\theta \neq 0, le temps s'exprime en fonction de x selon :

    t = \frac{x}{v_0 \cos\theta}

    En substituant cette expression dans z(t), on obtient l'équation cartésienne de la trajectoire :

    z(x) = -\frac{g x^2}{2 v_0^2 \cos^2\theta} + x \tan\theta

    La cible C de coordonnées (x_C = d, \, z_C = h) est atteinte si et seulement si z(d) = h, c'est-à-dire :

    \boxed{-\frac{gd^2}{2v_0^2 \cos^2\theta} + d\tan\theta = h}

    La proposition A est donc exacte.

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  6. Exercice 6ENAC Physique MPSI 2024, Q9

    D'après la question Q8, la condition pour que la cible soit atteinte s'écrit :

    -\frac{g d^2}{2 v_0^2 \cos^2\theta} + d\tan\theta = h

    En utilisant la relation trigonométrique classique :

    \frac{1}{\cos^2\theta} = 1 + \tan^2\theta

    l'équation devient :

    -\frac{g d^2}{2 v_0^2}\left(1 + \tan^2\theta\right) + d\tan\theta = h

    En regroupant tous les termes du même côté :

    \frac{g d^2}{2 v_0^2}\tan^2\theta - d\tan\theta + \left(h + \frac{g d^2}{2 v_0^2}\right) = 0

    Par identification avec l'expression donnée par l'énoncé :

    K_1 \tan^2\theta - d\tan\theta + K_2 = 0

    on en déduit le coefficient K_1 :

    \boxed{K_1 = \frac{g d^2}{2 v_0^2}}

    La réponse correcte est la proposition A.

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  7. Exercice 7ENAC Physique MPSI 2024, Q11

    D'après les questions Q9 et Q10, l'angle de tir \theta doit satisfaire l'équation trinôme en \tan\theta :

    K_1 \tan^2\theta - d \tan\theta + K_2 = 0

    avec :

    K_1 = \frac{gd^2}{2v_0^2} \quad \text{et} \quad K_2 = h + \frac{gd^2}{2v_0^2}

    La cible est accessible s'il existe au moins une valeur réelle de \tan\theta, c'est-à-dire si le discriminant \Delta est positif ou nul :

    \Delta = (-d)^2 - 4 K_1 K_2 \ge 0

    En remplaçant K_1 et K_2 par leurs expressions :

    \begin{aligned} \Delta &= d^2 - 4\left(\frac{gd^2}{2v_0^2}\right)\left(h + \frac{gd^2}{2v_0^2}\right) \ge 0 \\ \Delta &= d^2\left[1 - \frac{2g}{v_0^2}\left(h + \frac{gd^2}{2v_0^2}\right)\right] \ge 0 \end{aligned}

    Comme d > 0, cette condition équivaut à :

    1 - \frac{2g}{v_0^2}\left(h + \frac{gd^2}{2v_0^2}\right) \ge 0 \iff h \le \frac{v_0^2}{2g} - \frac{gd^2}{2v_0^2}

    L'altitude limite est donc donnée par :

    \boxed{h_\ell(d, v_0) = \frac{v_0^2}{2g} - \frac{gd^2}{2v_0^2}}

    La réponse correcte est la proposition C.

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  8. Exercice 8ENAC Physique MPSI 2023, Q25

    Le référentiel terrestre galiléen est muni de la base cartésienne orthonormée (\vec{e}_x, \vec{e}_y) et de la base polaire (\vec{e}_\rho, \vec{e}_\varphi), où l'angle \varphi repère la position de A par rapport à l'axe horizontal (Ox) :

    \left\{ \begin{aligned} \vec{e}_\rho &= \cos\varphi\,\vec{e}_x + \sin\varphi\,\vec{e}_y \\ \vec{e}_\varphi &= -\sin\varphi\,\vec{e}_x + \cos\varphi\,\vec{e}_y \end{aligned} \right.

    Tant que le corpuscule reste en contact avec l'hémisphère, sa distance à l'origine est constante : r = \text{cte}, soit \dot{r} = 0 et \ddot{r} = 0. Le vecteur position s'écrit \overrightarrow{OA} = r\,\vec{e}_\rho.

    Le vecteur accélération de A en coordonnées polaires planes s'obtient classiquement par :

    \vec{a} = (\ddot{r} - r\dot{\varphi}^2)\,\vec{e}_\rho + (r\ddot{\varphi} + 2\dot{r}\dot{\varphi})\,\vec{e}_\varphi = -r\dot{\varphi}^2\,\vec{e}_\rho + r\ddot{\varphi}\,\vec{e}_\varphi

    Le système \{A\} est soumis à deux actions mécaniques :

    • son poids \vec{P} = -mg\,\vec{e}_y. En projetant \vec{e}_y = \sin\varphi\,\vec{e}_\rho + \cos\varphi\,\vec{e}_\varphi, il vient :

      \vec{P} = -mg\sin\varphi\,\vec{e}_\rho - mg\cos\varphi\,\vec{e}_\varphi
    • la réaction du support \vec{R} = R_n\,\vec{e}_\rho, purement normale en l'absence de frottement.

    D'après le principe fondamental de la dynamique appliqué au point matériel A dans le référentiel galiléen :

    m\vec{a} = \vec{P} + \vec{R}

    Par projection sur la base polaire (\vec{e}_\rho, \vec{e}_\varphi), on obtient le système :

    \left\{ \begin{aligned} -m r \dot{\varphi}^2 &= -m g \sin\varphi + R_n \\ m r \ddot{\varphi} &= -m g \cos\varphi \end{aligned} \right.

    soit, en simplifiant par m sur l'axe orthoradial :

    \boxed{ \left\{ \begin{aligned} -m r \dot{\varphi}^2 &= -m g \sin\varphi + R_n \\ r \ddot{\varphi} &= -g \cos\varphi \end{aligned} \right. }

    Ce système correspond à la proposition A.

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  9. Exercice 9ENAC Physique MPSI 2023, Q28

    D'après la projection selon le vecteur radial \vec{e}_\rho du principe fondamental de la dynamique établie à la question Q25 :

    -m r \dot{\varphi}^2 = -m g \sin\varphi + R_n

    soit :

    R_n = m g \sin\varphi - m r \dot{\varphi}^2

    La trajectoire étant circulaire de rayon r, la norme de la vitesse scalaire vaut v = r |\dot{\varphi}|, d'où :

    m r \dot{\varphi}^2 = \frac{m v^2}{r}

    En injectant l'expression de v^2 issue de la question Q27, à savoir v^2 = 2 g r (1 - \sin\varphi) + v_0^2, il vient :

    \begin{aligned} R_n &= m g \sin\varphi - \frac{m}{r}\left[ 2 g r (1 - \sin\varphi) + v_0^2 \right] \\ &= m g \sin\varphi - 2 m g (1 - \sin\varphi) - \frac{m v_0^2}{r} \\ &= m\left[ g(3\sin\varphi - 2) - \frac{v_0^2}{r} \right] \end{aligned}

    Ce résultat correspond à la proposition A.

    \boxed{R_n = m\left[g(3\sin\varphi - 2) - \frac{v_0^2}{r}\right]}

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

  10. Exercice 10ENAC Physique MPSI 2022, Q8

    Le point C est situé à la verticale descendante du centre O' de la piste circulaire de rayon b. En ce point :

    • la tangente à la trajectoire est horizontale et orientée dans le sens du mouvement, soit \vec{u}_t = \vec{e}_x ;
    • la normale unitaire centripète est orientée vers le centre de courbure O', c'est-à-dire verticale ascendante, soit \vec{u}_n = \vec{e}_z.

    Dans la base de Frenet, l'accélération du skieur s'écrit de manière générale :

    \vec{a} = \frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}\,\vec{u}_t + \frac{v^2}{b}\,\vec{u}_n

    Puisque les frottements sont négligés, les seules forces appliquées au skieur sont :

    • le poids \vec{P} = -mg\,\vec{e}_z ;
    • la réaction normale du support \vec{R} = R\,\vec{u}_n = R\,\vec{e}_z.

    En appliquant le principe fondamental de la dynamique au skieur en C :

    m\vec{a}_C = \vec{P} + \vec{R} = (R - mg)\,\vec{e}_z

    En projetant sur la direction tangentielle \vec{u}_t = \vec{e}_x :

    m a_t = m(\vec{a}_C \cdot \vec{e}_x) = 0 \implies \vec{a}_C \cdot \vec{e}_x = 0

    L'accélération tangentielle est donc nulle au point le plus bas de la trajectoire.

    L'accélération en C est par conséquent purement normale et dirigée selon \vec{e}_z :

    \vec{a}_C = \frac{v_C^2}{b}\,\vec{e}_z

    On en déduit :

    \begin{aligned} \vec{a}_C \cdot \vec{e}_x &= 0 \\ \vec{a}_C \cdot \vec{e}_z &= \frac{v_C^2}{b} \neq 0 \\ \|\vec{a}_C\| &= \frac{v_C^2}{b} \end{aligned}

    Les propositions B et D sont donc vraies.

    \boxed{\text{Affirmations B et D vraies}}

    Résultat

    Indice, stratégie et pièges de cette question

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