Une sphère qui roule perd la course contre elle-même

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Source : Problème original AtlasPC

Énoncé du problème

roule sans glisser à même hauteur h, la sphère arrive moins vite qu'un solide qui glisse

Une sphère pleine homogène, de masse et de rayon , part sans vitesse initiale du sommet d'un plan incliné et descend une hauteur m en roulant sans glisser, sans aucun frottement de glissement (on prend ). Le moment d'inertie d'une sphère pleine par rapport à un axe passant par son centre vaut .

1) En condition de roulement sans glissement, exprimer la vitesse angulaire de la sphère en fonction de sa vitesse et de son rayon .

2) Exprimer l'énergie cinétique totale de la sphère (translation + rotation) en fonction de et uniquement.

3) En appliquant la conservation de l'énergie mécanique, calculer la vitesse de la sphère au bas du plan.

4) Un second solide, de même masse , glisse sans aucun frottement (translation pure, sans rotation) le long du même plan, depuis la même hauteur . Calculer sa vitesse au bas du plan, et comparer avec celle de la sphère. Comment expliquer physiquement cette différence ?