X ENS Physique SI MP 2015Sujet, corrigé et rapport du jury
- Mécanique céleste et forces de marée
- Énergie mécanique
- Oscillateurs harmoniques couplés et modes propres
- Oscillateur amorti
- Conservation de la quantité de mouvement
- Dynamique du solide
- Théorème de l'énergie cinétique
- Frottement de glissement
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Présentation du sujet
Ralentissements et freinages : effets de marée dans le système Terre-Lune et freinage d'un véhicule sur un pontAfficher ou masquer la section
Présentation du sujet
L'épreuve de Physique et Sciences de l'ingénieur MP de l'X 2015 étudie des phénomènes de ralentissement et de freinage en deux parties indépendantes. La première traite des effets de marée entre deux corps célestes et, par un raisonnement énergétique, estime les temps de synchronisation du système Terre-Lune. La seconde modélise un pont à trois tabliers par des oscillateurs couplés puis étudie le freinage d'un véhicule, du point de vue du pont et du véhicule.
- 1Partie I : marées et synchronisation d'oscillateursÉtude qualitative des déformations de marée (questions 1 à 4), considérations énergétiques (questions 5 à 12) et stabilité du système Terre-Lune (questions 13 à 17).
- 2Partie II : freinage sur un pontDilatation thermique d'un ouvrage (questions 18 et 19), modes propres d'un pont modélisé par des oscillateurs couplés (20 à 26), réponse du pont au freinage (27 à 30) et discussion des hypothèses sur le véhicule et ses freins (31 à 37).
L'épreuve en chiffres
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Source : rapport du jury. Notes publiées par le concours (après harmonisation le cas échéant). Courbe : estimation par une loi normale.
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesApplications numériques sans unité · Équilibre entre deux corps · Ordres de grandeur non critiquésAfficher ou masquer la section
Ce qu'a observé le jury
6 erreurs relevéesLa première partie a été traitée en priorité et avec un meilleur taux de réussite ; les candidats qui ont réparti leur temps entre les deux parties ont obtenu de très bonnes notes. Les premières questions de chaque partie ont été largement réussies, mais ce sont les dernières qui ont départagé les candidats. Le jury déplore le manque de rigueur dans les applications numériques et l'absence d'esprit critique sur les ordres de grandeur.
Les erreurs les plus sanctionnées
- 1Applications numériques sans unité
Une valeur sans unité est comptée fausse ; de nombreuses applications numériques simples ont fait perdre des points à une majorité de candidats.
- 2Équilibre entre deux corpsQuestions 2, 3 et 10
La notion d'équilibre entre deux systèmes a été très mal maîtrisée, ce qui a pénalisé la suite malgré la solution fournie par l'énoncé.
- 3Ordres de grandeur non critiquésQuestions 15 et 16
Des durées de synchronisation surprenantes montrent l'absence de regard critique ; la question 15 demandait d'interpréter le résultat de la question 12 en puissance dissipée.
« la plupart des candidats n’ont pas exercé d’esprit critique »
- 4Réponses non justifiées sur la dilatationQuestions 18 et 19
Une réponse en un mot ou une liste d'arguments sans justification ne suffit pas.
- 5Oscillateurs couplés mal comprisQuestions 20, 25 et 26
Moins de la moitié des candidats a exprimé l'énergie potentielle élastique de trois oscillateurs couplés, alors qu'il suffisait d'écarter translation et rotation d'ensemble ; les modes propres n'ont presque pas été abordés.
« moins de la moitié des candidats a réussi à exprimer l’énergie potentielle élastique »
- 6Partie freinage délaisséeQuestions 27 à 30
La partie II.3 a été presque ignorée alors que la conservation de la quantité de mouvement sur la première travée donnait directement les conditions initiales.
Ce qui a été bien réussi
- Les questions 1 à 4, application directe du cours, ont été traitées par la majorité des candidats.
- Les premières questions sur l'énergie cinétique (partie I.2) ont été bien traitées.
- La question 28, lorsqu'elle a été abordée, a été relativement bien traitée.
- La question 31 a été globalement bien réussie, et les trois dernières questions l'ont été par ceux qui les ont abordées.
Conseils du jury
- Accompagner toute valeur numérique de son unité et la commenter si elle paraît aberrante.
- Justifier chaque résultat par le raisonnement qui y mène.
- Soigner la rédaction : précision, concision et propreté.
- Répartir son temps entre les parties indépendantes plutôt que de s'attarder sur une seule.
- Relier les calculs théoriques à l'exemple concret étudié.
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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ÉCOLE POLYTECHNIQUE
FILIÈRE MP
COMPOSITION DE PHYSIQUE ET SCIENCES DE L'INGÉNIEUR - (X)
RALENTISSEMENTS et FREINAGES
1 Partie I : Marées et synchronisations d'oscillateurs
- On trouvera page 4 les données numériques nécessaires.

1.1 Étude qualitative
1.1.1 Cas statique
- La force totale subie par le satellite est développable en série de
(R_L)/d ; le terme d'ordre zéro correspond au modèle ponctuel : masse2m localisée en O . Les termes suivants correspondent aux effets de marée. La configuration initiale étant représentée à la figure 1(c), déterminer, au premier ordre enb/d , l'expression de la force subie parG_1 de la part de la Terre. - En considérant les forces gravitationnelles subies par
G_1 , montrer qu'il existe une limited_m àd , en deçà de laquelle le satellite se brise (limite de Roche). - Calculer
d_m pour le système Terre-Lune. Le résultat pourrait-il inciter à penser que la Lune s'est détachée de la Terre, ou au contraire montrer que cette hypothèse est peu plausible?
1.1.2 Déformation de la planète pendant sa révolution
4. Montrer que, au premier ordre en

- Indiquer sur un schéma le sens des forces de marée en P et en
P^′ , diamétralement opposé à P. On noterar^ le vecteur unitaire porté par OP. Expliquer l'apparition d'un «bourrelet» à la surface du satellite et déterminer qualitativement la forme d'équilibre du satellite à deux instants différents de la révolution orbitale. Quelle est la conséquence de cette déformation sur son mouvement?
2 Synchronisation des périodes
2.1 Considérations énergétiques
- Si l'orbite lunaire était circulaire avec son axe de rotation perpendiculaire au plan de révolution, on observerait de la Terre, à la même heure, toujours la même surface lunaire; en réalité,
59% de la surface de la Lune peut être observée depuis la Terre. Comment cela se peut-il?
Le centre de masse du système isolé Terre - Lune est noté G ; on noteμ = (2Mm)/(M + 2m) sa masse réduite et l'on rappelle la relationM(GT)^2 + (2m)(GO)^2 = μd^2 . On conviendra que, dans le référentiel galiléen barycentrique, la planète et le satellite décrivent des cercles centrés sur G , avec la même
vitesse angulaireΩ(t) . La période de rotation propre de la Terre est d'environ 86400 s ; la vitesse angulaire correspondante est notéeω(t) ; la période de rotation de la Lune est de vingt-sept jours, on noteΩ(t) la vitesse angulaire correspondante : les vitesses angulaires de rotation et de révolution de la Lune sont, à chaque instant, quasiment identiques; on admet que les vecteurs rotationω⃗ etΩ⃗ sont colinéaires et de même sens (voir Figure 3) ; la grandeurd peut elle aussi dépendre du temps.

- Établir l'expression de l'énergie cinétique de révolution du système Terre - Lune.
- Admettant que l'énergie cinétique de rotation d'une boule de rayon
r^′ et de massem^′ , en rotation(ω^′) autour d'un axe de direction fixe passant par son centre, estE_c = 1/5m^′ r^(′2)ω^(′2) , montrer que, avec une approximation que l'on précisera, l'énergie cinétique du système Terre Lune estE_c ≈ 1/5MR^2 ω^2 + 1/2μd^2 Ω^2 . - Montrer que, avec la même approximation, la norme du moment cinétique barycentrique du système est
σ_G ≈ μd^2 Ω + 2/5MR^2 ω . Donner, à l'ordre 0 enb/d , l'énergie mécanique du système. - Considérant l'équilibre des forces s'exerçant sur la Terre et sur la Lune, établir la relation liant
d, Ω, M etm (on obtient une relation ressemblant à une loi de Kepler). En déduire le lien entre les petites variations relatives(δΩ)/Ω et(δd)/d . - Considérant à présent le moment cinétique barycentrique du système isolé Terre - Lune, établir le lien entre les petites variations
δω etδd et en déduire l'expression de(δω)/(δΩ) en fonction dem, M, d etR . La valeur numérique de ce rapport est 35,6 . - Déduire des considérations précédentes que l'expression de la petite variation d'énergie mécanique associée à une petite variation de
ω estdE = 2/5M(ω − Ω)R^2 δω .
2.1.1 Stabilité du système Terre - Lune
13. Quels sont les signes, aujourd'hui, de
14. Le résultat calculé à la question 13 est-il en accord avec les données du préambule de ce paragraphe 2.1.1? L'intervalle de temps séparant deux nouvelles lunes (lunaison) augmente-t-il ou diminue-t-il ? Sa variation est-elle plus rapide ou plus lente que celle de la durée du jour?
15. Montrer que la dissipation d'énergie finit par ne plus avoir lieu. Calculer la durée du jour et la distance Terre - Lune au terme du processus de dissipation.
16. Estimer la durée du processus de synchronisation et la comparer à l'âge de l'Univers, soit environ
17. Calculer
Quelques symboles et données numériques relatifs à la première partie
3 Partie II : Freinage sur un pont
.jpg)
3.1 Influence des variations de température sur un ouvrage d'art

- Déterminer les variations maximales de longueur des éléments d'acier et des éléments de béton du tablier d'un pont monolithique long de 1 km ; les coefficients de dilatation de l'acier et du béton sont respectivement
α_A = 1, 2 × 10^(− 5) K^(− 1) etα_B = 1, 1 × 10^(− 5) K^(− 1) .
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| Béton | Acier | Béton | Acier | |
| Bretagne - Côte d'Azur |
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| Centre - Nord - Sud-Ouest |
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| Est - Alpes |
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- En déduire les conséquences possibles de ces variations sur l'ouvrage d'art et justifier la nécessité de la mise en place d'appuis et de séparateurs en élastomère.
3.2 Modes propres
20. On s'intéresse au sous-système situé au sommet A de la pile de gauche du pont, représenté Figure 6, en introduisant le déplacement horizontal, noté

- Justifier que l'on puisse poser que la valeur de la somme des forces au point de jonction des ressorts A est nulle (condition dite d'équilibre statique) et en déduire l'expression de
X_A en fonction dex_1 et dex_2 . On poseraα = k/(2k + k_0) etω_0^2 = 2k/m . - Déduire de vos réponses aux questions 20 et 21 l'expression de l'énergie potentielle du soussystème en fonction de
x_1 etx_2 . - Vérifier que l'expression (1) ci-après de
E_p , énergie potentielle élastique totale du pont est compatible avec votre réponse à la question 22 et qu'elle est compatible avec la limitek_0 infini.
- Écrire sous forme matricielle les équations de mouvement du système des trois masses constituant le pont. Il sera commode d'introduire, pour toute variable
u dépendant harmoniquement du temps avec la pulsationω , la grandeur complexe associéeU_– , avecu(t) = ℜ[U_–exp(jωt)] etj^2 = − 1 . La matrice symétrique ainsi introduite incite à introduire les variables généraliséess = x_1 + x_3 etd = x_1 − x_3 . Donner le système différentiel relatif às, d etx_2 . - Il résulte de la question 24 que
d est mode propre du système, avec le vecteur propre (1, 0, − 1 ) pour le triplet(x_1, x_2, x_3) ; on noteraω_1 la pulsation propre associée. Montrer que les carrés des deux autres pulsations propres du système sont respectivementω_0^2 etω_2^2 = (1 − (3α)/2)ω_0^2 . - Identifier dans les cartouches de la Figure 7 un mode symétrique et un mode antisymétrique. Associer ces modes à leurs pulsations respectives. Représenter graphiquement le troisième mode.

3.3 Freinage d'un véhicule
27. Les éléments du pont sont initialement (
28. On suppose que le pont ne répond que suivant le mode de pulsation
29. Donner l'expression générale du déplacement du deuxième tablier en fonction du temps.
30. Un calcul au premier ordre montre que, lorsque
3.4 Discussion de quelques hypothèses
3.4.1 Transfert de charge
comme on le verra, plus importantes que les actions mécaniques du sol sur les roues arrière. En dépit de ce phénomène, on considèrera
31. En effectuant le bilan des actions mécaniques et en négligeant la résistance de l'air, exprimer les composantes normales et tangentielles de
.jpg)
3.4.2 Hypothèse discutée : le freinage est instantané
32. Calculer la distance et le temps d'arrêt du véhicule en fonction de
Un modèle moins fruste : Analyses statique et dynamique d'une roue équilibrée
- Rappeler les conditions d'équilibrage statique et dynamique d'un solide. Indiquer les éléments nuls et les éléments liés de la matrice d'inertie (Figure 9) d'une roue d'axe de rotation (
O, z⃗ ).

de frottement plaquette - disque. On suppose enfin, ce qui n'est pas le cas dans la réalité, que les quatre roues freinent de la même façon.

- Déterminer, dans le cas symétrique (
F_1 = F_2 = F ) le couple de freinage généré par les plaquettes de frein sur une roue et vérifier qu'il s'exprime sous la formeC_f = 4/3f_1 F(R_2^3 − R_1^3)/(R_2^2 − R_1^2) . - Exprimer la puissance de frottement en fonction de
M_0, g, f et la vitessev = R_r ω pour les quatre roues. Exprimer de la même manière la puissance de freinage. - Donner l'expression de l'énergie cinétique du véhicule ; en déduire, considérant aussi les réponses à la question (35) l'expression de l'accélération angulaire des roues.
- Le tableau ci-après précise les sens et les valeurs numériques des grandeurs pertinentes. Calculer la valeur numérique du temps d'arrêt du véhicule. Comment se compare-t-il au résultat de la question 32 ?
Symbole et valeur Sens et occurrence
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Moment d'inertie d'une roue par rapport à l'axe (
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Masse du véhicule |
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Vitesse initiale du véhicule |
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Accélération de la pesanteur |
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Voir Figure 10 |
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Rayon de disque de frein; voir Figure 10 |
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Rayon de la roue représentée Figure 9 |
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voir Figure 8 |
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voir Figure 8;
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Altitude du centre de masse; voir Figure 8 |
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Efforts sur les plaquettes de frein; voir Figure 10 |
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Coefficient de frottement roue - sol; voir préambule du paragraphe 3.4.1 |
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Coefficient de frottement plaquette - disque; voir préambule de 3.4.2 |
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de physique-SI de l'X MP 2015 ?Afficher ou masquer la section
Questions fréquentes
4 questionsSur quoi porte le sujet de physique-SI de l'X MP 2015 ?
Sur les ralentissements et freinages : effets de marée et synchronisation du système Terre-Lune, puis freinage d'un véhicule sur un pont modélisé par des oscillateurs couplés.
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Les deux parties sont indépendantes. La plupart des candidats ont privilégié la première, mais le jury note que ceux qui ont réparti leur temps entre les deux ont obtenu de très bonnes notes.
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