Méthode d'Euler : quand le modèle de la chute libre décroche

Difficile
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Énoncé

Une bille de masse tombe sans vitesse initiale dans l'air, qui exerce une force de frottement avec en unités du Système International. On néglige la poussée d'Archimède et l'on prend . On résout numériquement par la méthode d'Euler avec un pas . 1) Établir l'équation différentielle vérifiée par la vitesse, puis calculer la vitesse limite et le temps caractéristique. 2) Écrire la relation de récurrence donnant la vitesse à l'instant en fonction de celle à l'instant . 3) Calculer les vitesses aux instants , et . 4) Calculer aux mêmes instants les vitesses prévues par le modèle de la chute libre, et chiffrer l'écart relatif. 5) À partir de quel instant le modèle de la chute libre s'écarte-t-il de plus de du modèle avec frottement ? Que conclure sur son domaine de validité ?

Indices

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1 Indice 1
L'équation est $m\dfrac{dv}{dt} = m\,g - k\,v$ ; la vitesse limite s'obtient en annulant l'accélération, le temps caractéristique vaut $\dfrac{m}{k}$.
2 Indice 2
La méthode d'Euler avance pas à pas : $v_{n+1} = v_n + \Delta t\left(g - \dfrac{k}{m}v_n\right)$. Compare ensuite à la chute libre, où $v = g\,t$.

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La méthode — par où commencer

L'équation est ; la vitesse limite s'obtient en annulant l'accélération, le temps caractéristique vaut .

La méthode d'Euler avance pas à pas : . Compare ensuite à la chute libre, où .

La rédaction complète, étape par étape, se trouve juste en dessous.

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