Centrale Physique PSI 2012Sujet, corrigé et rapport du jury
- Mécanique du point : mouvement à force centrale, moment cinétique, énergie mécanique
- Mécanique des fluides : nombre de Reynolds, force de traînée
- Statique des fluides : atmosphère isotherme
- Thermodynamique : bilans macroscopiques sur un système fermé
- Ondes sonores et ondes de gravité
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Présentation du sujet
DifficileImpact d'un bolide sur la Terre : collision, traversée de l'atmosphère, bilans macroscopiques et onde de gravitéAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
DifficileLe sujet, constitué de quatre parties indépendantes, étudie l'impact d'un bolide (astéroïde ou comète) avec la Terre. Il traite successivement la mécanique de la collision, la traversée de l'atmosphère et le freinage du bolide, des bilans macroscopiques thermodynamiques liés à l'impact, puis la propagation d'une onde de gravité consécutive au choc.
- 1Partie I : collision entre un bolide et la TerreÉtudier la vitesse orbitale de la Terre, la vitesse d'impact du bolide et sa trajectoire dans le champ gravitationnel terrestre.
- 2Partie II : traversée de l'atmosphère par le bolide, cratère d'impactÉtudier le freinage atmosphérique du bolide en calculant le nombre de Reynolds et en modélisant sa trajectoire dans l'atmosphère.
- 3Partie III : bilans macroscopiques et onde sonoreÉtablir des bilans macroscopiques sur un système fermé et étudier la propagation d'une onde sonore consécutive à l'impact.
- 4Partie IV : onde de gravitéDéterminer la vitesse de propagation d'une onde de gravité générée par l'impact.
Difficile. Le rapport décrit un sujet long avec quelques questions délicates dans les parties III et IV qui pouvaient bloquer les candidats, la partie IV étant la moins abordée dans l'ensemble.
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesDéfinition du référentiel galiléen incomplète · Nombre de Reynolds mal interprété · Signe de la force de traînée oubliéAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
5 erreurs relevéesLe jury indique que le sujet, progressif, a été traité avec des succès divers selon les parties, la partie I sur la mécanique du point et les bilans macroscopiques de la partie III étant les mieux réussis. Il relève des difficultés récurrentes sur les applications numériques et sur le traitement rigoureux des bilans macroscopiques, ainsi qu'un sujet long dont la dernière partie n'a été abordée que par les meilleurs candidats.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Définition du référentiel galiléen incomplèteI.A.1
Certains candidats se contentent d'évoquer la transitivité du référentiel galiléen ou une définition trop vague, alors qu'il fallait citer en entier le principe d'inertie.
- 2Nombre de Reynolds mal interprétéII.B.1.a
Le nombre de Reynolds était très grand, mais l'argument Re très supérieur à 1 seul ne suffisait pas à conclure à une loi quadratique, c'est le seuil autour de 10^3 qui rend le coefficient de traînée à peu près constant.
« Le nombre de Reynolds était très grand »
- 3Signe de la force de traînée oubliéII.B.2.a
Ne pas mettre de signe négatif devant la force de traînée conduisait à une vitesse après freinage supérieure à la vitesse initiale, une incohérence que beaucoup de candidats n'ont pas remarquée.
- 4Bilans macroscopiques mal traitésIII.C.2-4
D'année en année, les candidats rencontrent d'énormes difficultés pour traiter les bilans macroscopiques, alors que le programme impose de se ramener à un système fermé bien défini et que le formalisme d'Euler et de Reynolds est à proscrire.
« Année après année, nous continuons de constater »
- 5Onde sonore supposée plane à tortIII.B
Certains candidats, pour simplifier les calculs, ont considéré à tort que l'onde sonore était plane et ne dépendait que d'une seule variable d'espace, ce qui ne pouvait rapporter aucun point.
Ce qui a été bien réussi
- La partie I sur la mécanique du point a été plutôt bien traitée par les candidats.
- La question II.A.1 n'a pas posé beaucoup de problème aux candidats.
- Les candidats arrivés jusqu'à la partie IV ont plutôt réussi à trouver la vitesse de propagation c de l'onde de gravité.
Conseils du jury
- Parcourir rapidement l'énoncé en entier au début de l'épreuve pour repérer les parties les plus abordables.
- Respecter le nombre de chiffres significatifs attendu dans les applications numériques.
- Toujours se ramener à un système fermé bien défini pour traiter un bilan macroscopique et détailler toutes les étapes du calcul sur la copie.
- Vérifier la cohérence physique de ses résultats numériques, un résultat absurde devant alerter sur une erreur de signe ou d'unité.
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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Impact d'un bolide avec la Terre
Certaines données numériques sont rassemblées à la fin du sujet.
I Collision entre un bolide et la Terre
I.A - Vitesse orbitale de la Terre
I.A.1) Qu'est-ce qu'un référentiel galiléen?
I.A.2) Quel est l'intérêt de considérer l'hypothèse de symétrie sphérique pour la Terre et le Soleil ? Quelles simplifications découlent du fait que la masse de la Terre est négligeable devant celle du Soleil lors de l'étude du système isolé constitué par ces deux corps? Des réponses succinctes sont attendues.
I.A.3) Montrer que le mouvement circulaire de la Terre est uniforme. Exprimer la vitesse orbitale de la Terre, notée
I.B - Vitesse d'impact du bolide
I.B.1) On note
On travaille dans le référentiel géocentrique supposé galiléen. Le bolide, assimilé à un point matériel pour le moment, possède une masse

et de la constante gravitationnelle
I.B.3) On note
a) Montrer que le moment cinétique du bolide est conservé au cours de son mouvement. En déduire une relation simple entre
b) Déterminer l'expression de
c) Pour que le bolide entre en collision avec la Terre, montrer que le paramètre d'impact
I.B.4) a) En cas de collision, montrer que l'expression de la vitesse au moment de l'impact, notée
b) Quel est l'intervalle numérique des valeurs possibles de la vitesse d'impact
I.C - Énergie cinétique du bolide
I.C.1) Calculer l'énergie cinétique du bolide pour une vitesse d'impact
I.C.2) Une tonne d'explosif de TNT (trinitrotoluène) libère une énergie de
II Traversée de l'atmosphère par le bolide - Cratère d'impact
II.A - Atmosphère isotherme
II.A.1) Exprimer
II.A.2) Montrer, en utilisant l'équilibre hydrostatique, que la masse volumique
II.A.3) Applications numériques. Calculer la masse volumique de l'air
II.B - Freinage atmosphérique
II.B.1) Pour les calculs d'ordre de grandeur de cette question, on utilisera
a) Justifier, en calculant le nombre de Reynolds associé à l'écoulement de l'air autour du bolide, le choix d'une loi quadratique en vitesse pour l'expression de la force de traînée. Donnée : viscosité dynamique de l'air
b) Montrer qu'en terme d'ordres de grandeur, le poids du bolide est négligeable devant la force de traînée.
II.B.2) Dans ces conditions, il est possible de modéliser la trajectoire du bolide dans l'atmosphère par une droite inclinée d'un angle

b) Exprimer
c) En utilisant la condition
II.B.3) Applications numériques
a) Calculer la vitesse du bolide lorsqu'il atteint le sol
b) Calculer l'énergie dissipée par le bolide dans l'atmosphère. La comparer avec l'énergie cinétique du bolide à l'entrée de l'atmosphère.
II.C - Cratère d'impact transitoire
.jpg)
II.C.2) a) L'énergie servant à fracturer les matériaux de la croûte, notée
b) Le barycentre
c) Établir l'équation permettant de déterminer le diamètre
d) Données pour la croûte terrestre:
III Thermodynamique de la traversée de l'atmosphère
- une onde de choc se développe à l'avant du bolide avec échauffement adiabatique intense de l'air qui traverse cette onde de choc;
- la surface du bolide est chauffée par radiation du gaz chaud qui l'entoure, produisant une fusion et une vaporisation du matériau à sa surface;
- la matière perdue par le bolide finit par transférer son énergie à l'atmosphère sous forme d'énergie interne.
III.A - Puissance dissipée
Données : coefficient de traînée
III.B - Vitesse du son dans l'air
III.B.1) Que signifie l'approximation acoustique? Établir, à partir de l'équation locale de la conservation de la masse et de l'équation d'Euler, deux équations différentielles reliant les grandeurs
III.B.2) Pour quelles raisons peut-on considérer que l'évolution de l'air est isentropique? Exprimer
III.B.3) a) Établir et nommer l'équation de propagation vérifiée par la pression acoustique
III. C - Lois de conservation de l'écoulement à travers l'onde de choc
III.C.1) Calculer numériquement le nombre de Mach dans la région (1):
- la région non perturbée (1) décrite précédemment (écoulement hypersonique);
- la région du gaz choqué (2) caractérisée par une vitesse subsonique
v_2 , une pressionP_2 , une masse volumiqueρ_2 , une températureT_2 , une énergie interne massiqueu_2 et une enthalpie massiqueh_2 . Toutes ces grandeurs sont uniformes dans la région du gaz choqué.
Insistons sur le fait que l'onde de choc est fixe dans le référentiel d'étude et que les écoulements sont stationnaires. L'objectif des questions qui suivent est d'établir des lois de conservation pour l'air qui traverse de manière adiabatique l'onde de choc. On poseγ_1 = γ_2 = γ = 7/5 pour le rapport des capacités thermiques des gaz, supposés parfaits, dans les régions (1) et (2). On néglige les effets de la pesanteur sur l'écoulement.

III.C.3) En effectuant un bilan de quantité de mouvement, établir une relation, notée (
III.C.4) a) En effectuant un bilan d'énergie, établir une relation, notée (
b) L'air se comportant comme un gaz parfait, exprimer la différence des enthalpies massiques
c) À partir des relations (
III.D - Caractérisation thermodynamique du gaz choqué
III.D.1) Exprimer le nombre de Mach
III.D.2) Exprimer la température
III.D.3) À une telle température, les molécules du gaz choqué sont en fait dissociées en atomes ionisés qui forment un plasma. Le modèle précédent est donc incomplet et un traitement rigoureux sort du cadre de ce problème. Peut-on réellement poser
III.E - Masse perdue et échauffement du bolide
III.E.1) La température de surface du bolide peut-elle dépasser sa température de vaporisation? Déterminer l'expression de la quantité de masse du bolide vaporisée par unité de temps.
III.E.2) Le bolide décrit une trajectoire rectiligne inclinée d'un angle
III.E.3) Applications numériques
III.E.4) Estimer, par analyse dimensionnelle, jusqu'à quelle profondeur
IV Tsunami causé par l'impact du bolide dans un océan
On s'intéresse dans cette partie à la propagation de ces ondes également appelées ondes de gravité. La courbure locale de la Terre est négligée. On note (
IV.A - Équations de couplage
IV.A.2) a) Écrire, sans approximation, l'équation d'Euler. En déduire l'expression du champ de pression
b) On note

IV.B - Équations de propagation
IV.B.2) En déduire les équations de propagation vérifiées par ces champs. Donner l'expression de leur vitesse de propagation
IV.C - Solution onde cylindrique
IV.C.2) On note
IV.C.3) En déduire que la solution du type onde cylindrique peut se mettre sous la forme générale :
IV.C.4) On considère à présent une onde cylindrique monochromatique de pulsation
b) Donner les expressions des champs de surpression
IV.C.5) Analyse énergétique de l'onde cylindrique monochromatique
b) Exprimer la puissance moyenne totale, notée
c) Exprimer l'amplitude du tsunami
d) On suppose que l'expression précédente de l'amplitude
Données
| Masse de la Terre |
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| Masse du Soleil |
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| Constante gravitationnelle |
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| Constante des gaz parfaits |
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| Masse molaire moyenne de l'air |
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Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique Centrale PSI 2012 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quels chapitres porte le sujet de physique Centrale PSI 2012 ?
Le sujet, construit autour de l'impact d'un bolide sur la Terre, porte sur la mécanique du point, la mécanique et la statique des fluides, la thermodynamique par bilans macroscopiques, et la physique des ondes sonores et de gravité.
Quelles sont les erreurs les plus fréquentes relevées par le jury sur ce sujet Centrale physique PSI 2012 ?
Le jury relève une définition incomplète du référentiel galiléen, une mauvaise interprétation du nombre de Reynolds, l'oubli du signe de la force de traînée, et des bilans macroscopiques traités chaque année avec d'énormes difficultés.
Le sujet de physique Centrale PSI 2012 est-il difficile ?
Oui, le rapport le décrit comme un sujet long avec des questions délicates dans les parties III et IV, cette dernière n'ayant été abordée que par les meilleurs candidats.
Le sujet de physique Centrale PSI 2012 mobilise-t-il le programme de première année ?
Oui, le rapport précise que les thèmes abordés appartenaient aussi bien au programme de première année que de seconde année.
Pas de description pour le moment
