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Pendule simple et masse-ressort

Période, fréquence et pulsation du pendule simple et de l’oscillateur masse-ressort, avec la correction d’amplitude exacte par l’intégrale elliptique.

Oscillateur

L’oscillateur
Le pendule
m
m/s²Défaut : 9,806 65, pesanteur normale (3e CGPM, 1901), exacte par définition. Lune ≈ 1,62, Mars ≈ 3,72.
Le lâcher
°Vide : petites oscillations. Renseignée : correction exacte, de 0 à 180° exclus. 60° est une valeur d’exemple.

Les deux pendules

dix oscillations de T₀, en temps réel
L 1 m · g 9,81 m/s² · θ₀ 60°t = 0 spetit-angleT₀ = 2,0064 sexactT = 2,1532 s+7,32 % par périodeT₀T12345678910retard : 0 T₀
t = 0 s

045901351802,533,54amplitude (°)période (s)2,1532 s
Petites oscillations
T₀ = 2π·√(L/g) = 2π·√(1 ÷ 9,8066) = 2,0064 s
Correction d’amplitude
T = T₀ × 1,0732 = 2,1532 s
Remarques (2)

Deux pendules lâchés ensemble à la même amplitude : l’un bat à la période des petites oscillations T₀, l’autre à la période exacte T, et l’écart s’accumule.

Chaque pendule est dessiné sur une cosinusoïde de sa propre période ; la forme d’onde elliptique du pendule exact n’est pas calculée.

la règle des petites oscillations, T₀le pendule exact, T, et son retard

Résultat

calcul continu
La période
T2,1532 sà 60° d’amplitude
Période des petites oscillations
2,0064 s
Facteur d’amplitude
1,0732
Dérive par période
+7,3182 %
Fréquence
0,46442 Hz
Pulsation
2,918 rad/s

Calcul, hypothèses et sources

PrésentationPériode, fréquence et pulsation du pendule simple (T = 2π·√(L/g), pesanteur modifiable, Terre, Lune, Mars) et du système masse-ressort (T = 2π·√(m/k)).

Période, fréquence et pulsation du pendule simple (T = 2π·√(L/g), pesanteur modifiable, Terre, Lune, Mars) et du système masse-ressort (T = 2π·√(m/k)). Avec l'amplitude, la période du pendule reçoit la correction exacte de l'intégrale elliptique : +18 % à 90°.

Méthode & formulespendule : T₀ = 2π·√(L/g)
pendule : T₀ = 2π·√(L/g)masse-ressort : T = 2π·√(m/k)f = 1/T, ω = 2π/Tgrande amplitude : T = T₀ / agm(1, cos(θ₀/2)). Exact

La formule des petites oscillations suppose sin θ ≈ θ. La correction exacte passe par l'intégrale elliptique complète K, calculée par la moyenne arithmético-géométrique selon l’identité de Gauss (2/π)·K(sin(θ₀/2)) = 1/agm(1, cos(θ₀/2)).

Isochronisme
aux petites oscillations, la période ne dépend pas de l'amplitude (Galilée). L'écart croît avec l'amplitude : +0,19 % à 10°, +1,7 % à 30°, +18 % à 90°.
Pulsation (ω)
vitesse angulaire du mouvement circulaire équivalent, ω = 2πf, en rad/s, qui figure dans x(t) = A·cos(ωt + φ).
Raideur (k)
constante de la loi de Hooke F = −k·x, en newtons par mètre d’allongement. Deux ressorts identiques valent k/2 en série et 2k en parallèle.
Domaine de validitéLe pendule est simple : masse ponctuelle, fil inextensible et sans masse, pas de frottement.

Le pendule est simple : masse ponctuelle, fil inextensible et sans masse, pas de frottement. Une tige massive ou un amortissement relèvent du pendule composé, non traité. La correction d'amplitude vaut de 0 à 180° exclus ; à 180°, l'équilibre est instable et la période infinie. Le ressort est linéaire (loi de Hooke) et de masse négligeable devant m ; un ressort réel ajoute environ un tiers de sa masse à la masse oscillante.

Période et masseLa période du pendule simple ne dépend pas de la masse : comme en chute libre, la masse qui gravite et celle qui résiste s'éliminent.

La période du pendule simple ne dépend pas de la masse : comme en chute libre, la masse qui gravite et celle qui résiste s'éliminent. Elle ne dépend que de L et de g. Celle du masse-ressort dépend de la masse, pas de g.

Lire le chronogramme et l’abaqueLe chronogramme marque chaque oscillation : un trait à n·T₀ pour la règle des petites oscillations, un trait à n·T pour le pendule exact.

Le chronogramme marque chaque oscillation : un trait à n·T₀ pour la règle des petites oscillations, un trait à n·T pour le pendule exact. Le retard coté, t/T₀ − t/T, se compte en oscillations de T₀ ; le segment entre les deux rangs le donne en secondes. L'abaque trace la période exacte T(θ₀) = T₀ / agm(1, cos(θ₀/2)) de 0 à 180° exclus, avec en tireté la période des petites oscillations et en point l'amplitude saisie.