Centrale Physique MP 2010Sujet, corrigé et rapport du jury
- Statique des fluides
- Mécanique du solide en rotation
- Thermodynamique des systèmes fermés
- Mécanique du point dans un référentiel non galiléen
- Champ de gravitation
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Présentation du sujet
DifficileProjet MOSE : barrages flottants contre les marées de VeniseAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
DifficileLe problème est consacré au projet MOSE de fermeture de la lagune de Venise par des barrages flottants, mis en place par injection d'air dans des caissons mobiles autour d'un axe fixe. Il mobilise la statique des fluides, la mécanique du solide, la thermodynamique et, plus accessoirement, la mécanique du point et la physique des ondes, à travers trois parties indépendantes.
- 1Partie I : Étude du projetÉtude des positions d'équilibre et du régime transitoire des caissons mobiles en fonction de la proportion eau/air, puis de l'équilibre en présence des marées.
- 2Partie II : Étude de la compression et de l'injection de l'air dans le caissonDimensionnement des compresseurs via une étude thermodynamique de l'injection d'air comprimé et de l'évacuation de l'eau du caisson.
- 3Partie III : Le phénomène des maréesÉtude du potentiel gravitationnel, des marées océaniques et de l'onde de marée, indépendante des deux premières parties.
Difficile. Le rapport indique que les résultats d'ensemble ont été globalement médiocres et fortement étalés, avec une moyenne des 25% meilleures copies nettement supérieure au double de la moyenne des autres candidats.
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesConfusion entre poussée d'Archimède et forces de pression · Absence de vérification d'homogénéité · Travail de transvasement non maîtriséAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesLe sujet, très proche de la réalité technique du projet MOSE encore en cours de finalisation, demandait une lecture attentive pour en cerner la complexité et les hypothèses simplificatrices. La densité des deux premières parties a rebuté un bon nombre de candidats moyens, qui se sont reportés sur la fin du problème où les questions étaient plus qualitatives, ce qui explique des résultats globalement médiocres et fortement étalés.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Confusion entre poussée d'Archimède et forces de pressionI.A
Pour l'équilibre du caisson, les candidats sont souvent partis de mauvaises bases en considérant à la fois la poussée d'Archimède et les résultantes des forces de pression, alors que les forces à l'interface des deux fluides ne sont pas connues.
« Les candidats sont souvent partis d'emblée sur de mauvaises bases »
- 2Absence de vérification d'homogénéitéI.B
Une vérification d'homogénéité aurait permis de détecter facilement des erreurs, mais ce réflexe n'est visiblement pas naturel chez la majorité des candidats.
« Une vérification d'homogénéité aurait aisément permis aux étudiants de détecter leurs erreurs »
- 3Travail de transvasement non maîtriséII.A
Le calcul du travail de transvasement dans le caisson a bloqué l'immense majorité des candidats.
« Le calcul du travail de transvasement dans le caisson a bloqué l'immense majorité des candidats »
- 4Confusion entre référentiel de Copernic et héliocentriqueIII.B
Les définitions des référentiels de Copernic et géocentrique sont souvent incomplètes ou erronées, avec une confusion quasi systématique entre le référentiel de Copernic et le référentiel héliocentrique.
« confusion quasi systématique entre le référentiel de Copernic et le référentiel héliocentrique »
- 5Théorème de Gauss gravitationnel mal appliquéIII.A
Le jury déplore des erreurs récurrentes, déjà signalées les années précédentes, dans l'application du théorème de Gauss au cas gravitationnel.
Ce qui a été bien réussi
- La partie III, de moindre difficulté, a été largement traitée dans les copies.
- Les questions qualitatives de la fin de la partie III.B ont eu le plus de succès.
- La partie III.C n'a présenté aucune difficulté particulière et a été abordée dans une large majorité de copies.
Conseils du jury
- Lire complètement et attentivement l'énoncé pour identifier les hypothèses de travail et les valeurs numériques pertinentes.
- Contrôler systématiquement l'homogénéité dimensionnelle du résultat final.
- Définir précisément le système thermodynamique et le référentiel d'étude en mécanique avant de calculer.
Synthèse rédigée par WikiPrépa à partir du rapport officiel du jury (à télécharger en PDF). Les citations sont extraites du rapport.
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L'énoncé complet, avec les formules et les figures, sans ouvrir le PDF.Afficher ou masquer la section
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PHYSIQUE
Projet MOSE

nies. Pour faire barrage à ces flots envahissants, les autorités italiennes ont opté en 2001 pour une solution impressionnante : le projet MOSE (MOdulo Sperimentale Electromeccanico, MOdule Expérimental Électromécanique). En italien, le prénom Mosè est l'équivalent de «Moïse». L'étymologie courante de ce prénom est «sauvé des eaux», ce qui recouvre bien la finalité du projet.
Étendue du chantier :
- 200 ha à protéger
- 45 km de plage à reconstruire
- 8 km de dune reconstruite
- 15 km de chantier
- Environ 80 vannes de 20 m sur 30 à poser devant les 3 passes d'accès du Lido (800 m de large), Malamocco et Chioggia (400
m de large chacune).
Schémas de fonctionnement d'une vanne à gravité dans les barrages mobiles
Filière MP
Les trois parties du problème (étude du projet, étude du compresseur, le phénomène des marées) sont indépendantes.
Partie I - Étude du projet
La base (

(axe
On considère que la masse de l'air est négligeable devant celle de l'eau. La hauteur d'eau restante est notée
Afin de simplifier l'étude, on supposera dans toute la suite du problème que l'on peut assimiler le caisson et l'eau qu'il contient à un objet
bidimensionnel rectangulaire, dont l'axe
supporte l'un des côtés, et l'axe
I.A - Équilibre en dehors des marées
I.A.2) Exprimer la projection suivant
I.A.3) On considère un corps
a) «La somme des forces de pression qui s'exercent sur
b) «La somme des moments des forces de pression qui s'exercent sur
On pourra appuyer sa démarche sur des figures comme celles qui suivent :

.jpg)
.jpg)
I.A.4) Exprimer
I.A.5) On cherche les positions d'équilibre du caisson.
a) Montrer qu'une position d'équilibre pour laquelle le caisson est totalement immergé et autre que celle où il est horizontal, posé sur le fond, n'est possible que si une certaine condition est vérifiée entre
b) On s'intéresse maintenant aux positions d'équilibre pour lesquelles une partie du caisson émerge. Montrer qu'il peut en exister jusqu'à trois. On note
c) En restant dans le cas où le caisson est partiellement immergé, discuter la stabilité des positions d'équilibre et montrer que la hauteur d'eau restant dans le caisson doit être inférieure à une valeur critique
I.B - Étude du régime transitoire
I.B.1) On s'intéresse à la force de frottement qu'exerce l'eau sur le caisson lorsque celui-ci est en mouvement. On suppose que le caisson est toujours immergé.
a) Soit un élément de surface
b) Montrer alors que le moment en
Effectuer l'application numérique en prenant
I.B.2)
a) On écrit
b) Établir l'équation différentielle du mouvement du caisson, valable tant que ce dernier est totalement immergé, sous la forme :
Est-ce que le coefficient
I.B.3) On considère dans la suite que
On cherche un ordre de grandeur de la durée du régime transitoire. En considérant que, durant la remontée du caisson, son mouvement de rotation est quasiment uniforme, déterminer l'ordre de grandeur de la durée du régime transitoire. La comparer avec celle que donne une résolution numérique : 10 s .
I.C - Équilibre en présence des marées
Attention : avec ces conventions, les hautes eaux et basses eaux sont inversées par rapport à la première figure donnée en introduction.
On admet que l'on peut écrire

la fonction
a) Dans le cas où
Commenter, et établir un lien éventuel avec la première figure donnée en introduction.
b) Dans le cas où
Commenter ce graphe sans faire de calculs (s'intéresser notamment à l'existence de deux valeurs de
Expliquer pourquoi le barrage résiste mieux à la montée des
eaux si
Partie II - Étude de la compression et de l’injection de l’air dans le caisson
II.A - Compression de l'air dans le caisson

frottement entre les positions
Le volume d'air dans le caisson reste à la valeur constante
Toutes les transformations sont quasi statiques et s'effectuent à température constante
Valeurs numériques:
II.A.1) À l'instant initial la pression de l'air dans les compresseurs et dans le caisson est la pression atmosphérique
Un moteur actionne les pistons de
On suppose
Calculer, en fonction de
II.A.2) La soupape
II.A.3) Déterminer le travail
II.A.4) Calculer le travail
Montrer que le travail
II.A.5) À un instant donné, les pistons sont dans la position
Quelle relation les pressions
Quelle est la position
Quelle est la pression
Montrer que
II.A.6) À l'aide de la relation (1) du II.A.5, calculer la pression
II.A.7) Pour établir l'expression du travail
a) Entre l'instant
b) Suite à l'introduction isotherme de la quantité
c) En déduire l'expression de
d) Comparer
II.A.8) Quel est le travail total
II.A.9) Calculer numériquement :
- la limite maximum
P_∞ des pressions accessible, - le nombre minimum
v de va-et-vient des pistons nécessaires pour obtenir dans le caisson une pression supérieure àP_f = 3P_0 . Quelle est alors la pres-
sion exacteP_v dans le caisson, en supposant que l'évacuation de l'eau n'a pas encore commencé) ? Commenter ce résultat. - le travail fourni par le moteur pour parvenir à ce résultat.
II.B - Évacuation de l'eau du caisson
II.B.1) On laisse le caisson se soulever lorsque l'air occupe un volume
II.B.2) En transposant la démarche décrite au II.A.7, calculer littéralement puis numériquement le travail
II.B.3) Calculer le travail total
On désire que la durée totale de cette opération n'excède pas une heure. Quelle doit être la puissance du moteur?
II.B.4) À votre avis, comment l'énergie peut-elle être fournie au moteur? Quels sont les inconvénients et les avantages du projet MOSE ? Que pensezvous de ce projet?
Partie III - Le phénomène des marées
III.A - Le potentiel gravitationnel
Déterminer le champ gravitationnel
III.A.2) Par analogie avec l'électrostatique, énoncer le théorème de Gauss appliqué au champ gravitationnel.
III.B - Marées océaniques
Pour simplifier l'étude, on se place dans le cas d'un centre attracteur unique, le Soleil, supposé fixe dans le référentiel de Copernic, considéré comme galiléen.
a) Rappeler la définition du référentiel de Copernic et celle du référentiel géocentrique.
b) En considérant que la force exercée par le Soleil sur la Terre vaut
c) Soit un point matériel

e) En déduire la forme du bourrelet océanique, que l'on représentera sur la même figure. Indiquer également les lieux de pleine mer et de basse mer.
III.B.2) Dan le référentiel géocentrique, la Terre tourne en 24 h autour de l'axe des pôles, que l'on considère normal au plan de la figure précédente. En dessinant quelques figures, montrer que la forme du bourrelet océanique conduit, en un point fixe de la terre, à un mouvement périodique des eaux, ou marées. Déterminer la période correspondante
III.B.3) En réalité, les effets de la Lune et du Soleil se superposent sur la déformation du bourrelet océanique. Les autres planètes du système solaire sont à la fois trop lointaines et trop peu massives pour présenter un terme de marée significatif.

III.C - Onde de marée
Dans un bassin dit de «faible profondeur», l'onde de marée produit une modification de
On rappelle qu'un bassin est dit de faible profondeur lorsque sa profondeur
III.C.1) Indiquer un autre phénomène ondulatoire qui vérifie cette équation d'onde.
III.C.2) Calculer la vitesse de propagation
III.C.3) Calculer le temps mis par l'onde de marée pour effectuer un aller et retour dans le bassin méditerranéen en partant de Gibraltar. Peut-on en conclure que l'amplitude des marées à l'entrée de la méditerranée est nécessairement de faible amplitude ?
-•• FIN •••
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte l'épreuve de physique Centrale MP 2010 sur le projet MOSE ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte l'épreuve de physique Centrale MP 2010 sur le projet MOSE ?
Le sujet porte sur la statique des fluides, la mécanique du solide en rotation, la thermodynamique de la compression d'air et la mécanique du point pour l'étude des marées.
Quelles erreurs le jury a-t-il le plus relevées ?
Une confusion entre poussée d'Archimède et forces de pression, l'absence de vérification d'homogénéité, un travail de transvasement mal maîtrisé et une confusion entre référentiel de Copernic et référentiel héliocentrique.
Ce sujet de physique Centrale MP 2010 est-il difficile ?
Le rapport le juge globalement médiocre en résultats et fortement discriminant, avec une moyenne des meilleures copies plus du double de celle des autres candidats.
Quelle partie du sujet physique Centrale MP 2010 rapporte le plus de points ?
La partie I concentrait 45% du barème et les candidats y ont obtenu en moyenne 50% des points, contre 21% dans la partie II et 29% dans la partie III.
Pas de description pour le moment
