Etude de la chute libre simultanée de deux billes avec un fichier vidéo

1- Dispositif :

L'arrivée de la bille 1 au bout de la gouttière ouvre le circuit d'alimentation de l'électroaimant. Les deux billes tombent en même temps à partir du même niveau horizontal : la bille 1 avec une vitesse initiale horizontale, la bille 2 avec une vitesse initiale nulle.

2- Réalisation d'un fichier vidéo .AVI :

Le mouvement de ces billes est filmé avec un camescope à 25 images par seconde. Le signal vidéo analogique est envoyé à un ordinateur, muni d'une carte vidéo MIRO DC 10, et numérisé par le convertisseur analogique-numérique de cette carte.

Un logiciel, livré avec cette carte (MIROVIDEO DC-10, fonction Vidcap) donne un premier fichier de grande taille (ordre quelques Mo). Un autre logiciel (ULEAD MEDIASTUDIO 25, fonction vidéo editor) permet de supprimer les images inutiles (avant le début et après la fin du mouvement) ; et, après compression, d'obtenir un fichier (type .AVI) de l'ordre de quelques centaines de ko, enregistrable dans une disquette 3,5''.

Ce fichier est lu dans le logiciel SYNCHRONIE qui restitue les images du mouvement : en faisant avancer image par image, on repère les positions successives du mobile avec, entre deux positions successives, une durée, d t = 1 / 25 s = 40 ms.

3- Etude cinématique dans Synchronie :

Dans le menu, Edition : Lire image ou séquence vidéo ® choisir le lecteur C: ou A: ® type de fichier, .AVI ® choix du fichier validé par OK.

Le fichier vidéo apparaît en fenêtre 2 et on fait avancer image par image (dans le sens réel ou dans le sens inverse) avec les touches au bas de cette fenêtre (la première touche à gauche permet le retour rapide à la première image).

3-1 Détermination des positions successives des deux billes :

* Dans le menu principal : Images® Paramètres, une fenêtre apparaît (figure 1, page suivante).

Figure 1

* Dans le menu principal, Image ® Pointeur, une fenêtre apparaît (figure 2).

Figure 2

On clique dans l'onglet du bas, Propriétés, une nouvelle fenêtre apparaît (figure 3, page suivante).

On choisit la forme du pointeur (2ème en partant de la gauche, conseillée) et du repérage (petits + discontinus, conseillés).

On clique ensuite dans Saisir ® retour à la Séquence vidéo et saisie des positions successives, en partant de la première image où commence le mouvement, la bille 1 ayant quitté le pla incliné. Le déplacement du pointeur se fait à la souris où avec les touches de déplacement vertical et horizontal. A la fin, arrêter l'acquisition par la touche Echap.

.

Figure 3

On recommence pour la bille 2 : Image ® Pointeur ® Nouveau ® Nouvelles coodonnées X1 Y1 ® Saisir ; on prend la première position à la même date que la première position de la bille 1 (bille1 ayant quitté la gouttière et bille 2 l'électroaimant).

Pour chaque position des mobiles repérée, le logiciel a enregistré une valeur de Y et de X

et une valeur de X1 et Y1, voir figure 4.

Figure 4

3-2 Trajectoires des deux billes, Y(X) et Y1(X) :

3-2-1 Tracé :

* De Y(X) :

Dans le menu principal, Paramètres ® Courbes : Y, Style croix discontinues, placé dans la fenêtre 1.® Fenêtre 1 : abscisse X ; échelle en X, d'abord basée sur X pour connaître les limites et ensuite manuelle ; échelle en Y, d'abord basée sur Y pour connaître les limites et ensuite manuelle.

* De Y1(X) :

On recommence de la même façon pour Y1 que l'on place aussi en fenêtre 1.

Conclusion :

On observe à chaque image que les deux billes restent au même niveau horizontal. Ce résultat peut-être confirmé en ajoutant Y et Y1 dans les colonnes du tableur : on trouve des valeurs de Y et Y1 égales à quelques % près (ordre de la précision des mesures)

3-2-2 Modélisation :

* Dans le menu principal, Traiter ® Modélisation : Variable à modéliser Y (puis Y1); Définition du modèle, Yxmod (puis Y1mod avec créer une nouvelle variable) ; Fonction polynôme degré 2 (degré 1 pour Y1).

* On obtient une bonne vérification de la nature parabolique de la trajectoire de la bille 1 et de la nature rectiligne verticale de la bille 2, voir figure 5.

3-3 Vitesses des deux billes, vY(date) et vY1(date) :

3-3-1 Tracé :

- Pour obtenir les valeurs de, vY = dYmod / d(date) et vY1 = dY1mod / d(date: dans le menu principal, Traitement ® Feuille de calcul. Dans cette feuille, faire calculer par la ligne : vY = deriv(Ymod,date) et vY1 = deriv(Y1mod,date)

Sortir en cliquant la flèche courbée en haut et à gauche de l'écran.

- Pour faire tracer vY(date) et vY1(date: dans le menu principal, Paramètres ® Courbes, vY (puis vY1) en style croix discontinues dans la fenêtre 3 ® Fenêtre 3, abscisse date ; Echelle en X, d'abord basée sur date puis manuelle ; Echelle en Y, d'abord basée sur vY puis manuelle.

3-3-2 Modélisation :

* Dans le menu principal, Traiter ® Modélisation : Variable à modéliser vVariable à modéliser v (puis vY1) ; Nom du modèle, vYmod (puis vY1mod) ; Fonction polynôme degré 1; Calculer ® Créer nouvelle variable puis à nouveau, Calculer. Dans les deux cas, relever par écrit les coefficients et les placer dans la fenêtre 3 par copier-coller en utilisant Commentaire (T dans la barre d'outils).

Figure 5

* On obtient deux droites pratiquement confondues montrant que ces deux vitesses sont des fonctions du premier degré de la date. Les valeurs de l'accélération sont : pour vY, aY = 10,0 m.s-2 et pour vY1, ay1 = 9,78 m.s-2. Ces valeurs sont égales entre elles et égales à g = 9,81 m.s-1 avec des écarts relatifs de 2% au plus.

3-4 Conclusion :

La projection GY, du centre d'inertie G de la bille 1 sur un axe vertical, a même mouvement que le centre d'inertie G1 de la bille 1.

 

Le groupe académique Sciences-Physiques et Informatique