Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires
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Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires



  1. #1
    krouss

    Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires


    ------

    Bonsoir tout le monde ,
    c'est mon premier thread et celui ci concerne quelques exercices de bases sur les coordonnées polaires ,je vous remercie d'avance pour votre attention et pour l'aide que vous m'accorderez .

    voici les questions qui se posent a moi :

    1-Trouvé l'angle thêta , θ en dégrées avec les coordonnées cartésiennes x et y ,on nous donne également TAN(31°)=0.6=3/5.
    On cherche θ tel que :

    1)x=3 y=5
    2)x=-3 y=5
    3)x=5 y=-3
    4)x=-3 y=-5
    5)x=-5 y=-3

    Je sais que A=Arctan(y/x) mais sa serait trop simple avec cette formule , surtout qu'elle a été élaborée a partir d'un développement limité autours de 0 il me semble .
    Donc je me suis dit que l'on doit utilisé l'indication dans l'énoncé , TAN(31°)=0.6=3/5 et j'en déduis que pour la question 5)
    on a θ =31° , pour la 3 θ=-31°.Ensuite pour 1),2) et 4) je me suis dit que l'on peut faire 1/TAN(31°)=5/3 et 1/TAN(31°)=5/-3 =-5/3.
    Du coups j'hésite car l'inverse de la tangente d'un angle me donnera-t-il un angle ?
    Merci de m'aider pour cette première question qui est la suivante , mon raisonnement est-il correct ? je me doute que vers la fin il y a une magouille .

    2-Ici , un exercice ou l'on nous demande de dessiner le mouvement du point étudié ( avec p(t)=v0t et θ(t)=wt), puis de déterminer la vitesse avec des coordonnées polaires puis cartésiennes et enfin de dessiner un vecteur vitesse a 90°,180°,-90°.
    Pour le dessin j'ai fais une spirale car le module p(t) augmente en fonction du temps et que l'angle θ (t) aussi , jusque la rien de bien compliqué .
    Je vais la faire courte de peur d'écrire un trop gros pavé .

    Vitesse en polaire : v(t)=d(p(t))/dt*up(t) + d(θ(t))/dt*Uθ*v0t avec d(θ (t))/dt = w donc v(t)=v(t)=v0*up(t) + w*Uθ*v0t
    Vitesse en cartésienne : v(t)=v0(cosθ i+sinθ j)+w*v0t(-sinθi+cosθj).

    Je pense que mes expressions sont bonnes , vous allez me dire '' mais il veut quoi au juste ? '' , j'y viens !
    Quand je dois placer mes vecteur vitesses (approximativement) , a 90°,180°,-90°je remarque que le vecteur vitesse a ces différents angles augmente car dans v(t) on a v0 pour up ce qui est constant mais on a w*v0t pour uθ ce qui veut dire que cela augmente .

    J'ai alors dessiner des vecteurs pas très tangents a la courbe dessinée par la spirale mais j'imagine qu'a -90° il devient un peu plus tangent car uθ devient de plus en plus grand devant up.

    La aussi je me demande si mon raisonnement est juste et tant qu'on y est j'ai du mal a me suivre moi même car p(t)=v0t donc la vitesse a l'air intuitivement(pour moi) constante mais je vois bien que la vitesse en uθ augmente et d'un coté je me dit que c'est logique car si on prend un t trèèèèèèès trèèèès grand , la spirale aura l'air d'une droite pour nous(sur un coté de la spirale, comme un gros zoom quoi) et cela montre que l'accelération normale est beaucoups plus petite que l'accélération tangentielle sur un point de la spirale .

    Je vous remercie encore d'avance pour l'attention que vous m'accordez .
    Ps:je suis en Licence 1 Maths-Physique-Info a Paris-Sud .

    -----

  2. #2
    Mct92mct

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Bonsoir,
    1/tan(θ)=cotan(θ) non?

  3. #3
    krouss

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Oui c'est ce que je me disais mais dans ce cas je suis bloqué j'ai aucune formule pour thêta a part θ =arctan(y/x) mais comme je l'ai dit , cela ne marche que quand θ est proche de 0 (je crois ) :S

  4. #4
    krouss

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    j'attend vos réponses , je sais qu'il est tard ^^

  5. A voir en vidéo sur Futura
  6. #5
    albanxiii
    Modérateur

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Bonjour,

    Vosu vous faites des noeuds au cerveau, c'est beaucoup plus simple que ce que vous pensez.
    Oubliez tout, mettez votre bon sens en route et recommencez.

    @+
    Not only is it not right, it's not even wrong!

  7. #6
    krouss

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Bon bah je revois mes propriétés sur tan et arctan en attendant , si quelqu'un peut m'aider d'ici la

  8. #7
    Micou38

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Bonjour,
    Concernant la question 1, en coordonnées polaires d'un point P(x,y), tu as besoin du rayon OP=racine(x²+y²) et de l'angle Teta=angle(x,OP) du type Teta=Arctan(y/x). Après, selon le signe de x et y, le résultat de la fonction réciproque Arctan doit être modulé avec pi (180°) ou pi/2 (90°) ou 3pi/2 (270°) - Cf suite de la question...
    Ensuite si tu veux utiliser cet angle de 31° tel que tan(31°)=3/5 pour les différents calculs en polaire, tu as, en dessinant le cercle trigonométrique pour chaque position:
    P(x,y) tel que x=5, y=3, Teta=31° (point et angle de référence)
    1) Q(x,y) tel que x=3, y=5 signifie que Q est tel que TetaQ=90°-31°
    2) R(x,y) tel que x=-3, y=5 signifie que R est tel que TetaR=90°+31°
    3) U(x,y) tel que x=5, y=-3 signifie que U est tel que TetaU=-31° (U est le symétrique de P par rapport à l'axe (O,x))
    4) S(x,y) tel que x=-3 et y=-5 signifie que S est tel que TetaS=270°-31°
    5) T(x,y) tel que x=-5 et y=-3 signifie que T est tel que TetaT=180+31° (PT est alors le diamètre du cercle trigonométrique)

    Non ?

  9. #8
    krouss

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Bonjour Micou38,

    Alors oui je ne l'ai pas précisé sous peur de faire un truc trop long a lire mais le but de l'exo est de trouver les coordonnées polaires d'un point M(p, θ).
    On nous demande de trouver le module mais visiblement il reste le même pour les 5 questions c'est a dire sqrt((5^2)+(3^2)) et donc racine de 34.
    Pour les question d'angles , je comprend pour 31° et -31° , mais après si j'ai bien compris tu a fais un cercle trigonométrique et tu a déduis les modulos a partir de 31 ° ?
    Je m'excuse j'ai toujours eu du mal avec tan et arctan ...

  10. #9
    krouss

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Et sinon pour la spirale ?

  11. #10
    Micou38

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Normal que le rayon soit constant.
    Quant au tracé du cercle trigonométrique, oui, ça peut aider a determiner les modulos - voir image ci dessous:

    Nom : cercle trigo.JPG
Affichages : 79
Taille : 47,1 Ko

    Après, si cette approche des choses ne te convainc toujours pas, tu peux vérifier les modulos en utilisant des outils de mathématique analytiques de type produit scalaire ou produit vectoriel:
    - En effet, 2 vecteurs sont orthogonaux (angle à modulo 90° ou modulo 3x90°=270°) si leur produit scalaire est nul (remarque: Attention, le produit scalaire est un scalaire donc un nombre...):
    Exemple:
    Si OP (x,y) et OR=(X,Y) et si OP et OR sont orthogonaux (cas de la figure) alors OP.OR=x.X + y.Y = 5x(-3) + 3x5 =0 , c'est vérifié !! donc le modulo de 90° entre P et R est juste...
    Si OT (x',y') et OR=(X,Y) et si OT et OR sont orthogonaux (encore le cas de la figure) alors OT.OR=x'.X + y'.Y = (-5)x(-3) + (-3)x5 =0 , c'est encore vérifié !! donc le modulo de 90° entre R et T est encore juste (donc celui de 180° entre P et T aussi...)

    - De même, 2 vecteurs sont colinéaires si leur produit vectoriel est nul (remarque: Attention, le produit vectoriel est un vecteur donc on doit obtenir 3 coordonnées !!):
    Exemple:
    Si OP (x,y) et OT=(x',y') et si OP et OT sont colinéaires (cas de la figure) alors OP ^ OR=x.y' - y.x' = 5x(-3) - 3x(-5) =0 , c'est vérifié !! (La coordonnée calculées ici, est celle en z)
    Si OQ (xq,yq) et OS=(xs,ys) et si OQ et OS sont colinéaires (cas de la figure) alors OQ ^ OS=xq.ys - yq.xs = 3x(-5) - 5x(-3) =0 , c'est encore vérifié !! (La coordonnée calculées ici, est celle en z)

    On neglige souvent le cercle trigo alors que c'est un outil très pratique et le tracer (même a main levée) peut parfois retirer de grosses épines et éviter des écueils...

  12. #11
    krouss

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Wouah , merci pour ta réponse très détaillée , je vais en prendre de la graine et m’efforcer de toujours utiliser le cercle trigonométrique , bien que comme tu l'ai deviné , j'aime bien vérifier cela avec des outils mathématiques . En tout cas c'est une très grande aide que tu m'a offert(e),merci infiniment !

  13. #12
    krouss

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Par curiosité , je comprend ton opération sur le produit scalaire nul , mais tu en déduis qu'il y a 90°+ou- 31° avec ton cercle ? mathématiquement si on trouve que le produit scalaire est nul c'est qu'il y a angle droit mais comment savoir si c'est a 90°ou 270° sans le cercle ?

    De même pour U(x,y) , j'ai fais un cercle et j'ai vu une symétrie par rapport a P(x,y) par rapport a l'abscisse mais comment sais tu que l'angle est négatif ? , ou a tu ton indice par rapport a la rotation , horaire ou trigonométrique car apres tout c'est elle qui détermine le signe , or ici tu m'a juste convaincu que la valeur absolue est la même pour l'angle (Ox,OP) et (Ox,OU).

    Je m'excuse je suis du genre a poser beaucoup de question mais j'ai peur de ne pas tout cerner et puis de me convaincre avec des arguments bidons que je créer avec ma propre logique

  14. #13
    Micou38

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Prenons l'exemple de OR et OP qui sont orthogonaux. Le sont-ils à +90° ou - 90° ?
    Pour répondre à cela, il faut calculer le produit vectoriel des 2 vecteurs. Par exemple, on pose M=OP^OR ; ATTENTION: l'ordre a une importance...
    M est le vecteur résultant de ce produit. M est orthogonal au plan formé par OP et OR. Ici, c'est "z" qui est un vecteur unitaire normal à ce plan, donc M n’a qu’une coordonnée non nulle ici, et c’est celle en "z".

    Par définition du produit vectoriel: M=||OP||x||OR||`x sin[angle(OP,OR)] x"z"
    Mais on peut aussi calculer ce produit a partir des coordonnées: OP (x,y) et OR=(X,Y)
    Et on trouvera pour la coordonnée en z de M: M=(x.Y-y.X)."z"

    Le vecteur M est donc porté par "z" et sa valeur algébrique est ||OP||x||OR||x sin[angle(OP,OR)] mesuré sur "z". Mais cette valeur est aussi (x.Y-y.X) !!

    Si l'angle (OP,OR) vaut +90° alors le sinus vaut 1 et donc la valeur algébrique calculée doit être positive. Attention, il s'agit bien de l'angle entre les vecteurs OP et OT pris dans cet ordre d'où l'ordre qui a une importance. Car le produit inverse M'=OR^OP donnera une inversion au niveau de sa valeur algébrique. Normal, puisqu'on prend l'angle inverse: angle(OR,OP)=-90° donc sinus=-1

    --------------- Exemple concret:----------------------
    Avec OP(5,3) et OR(-3,5). On note Alpha=angle(OP,OR) dans cet ordre.
    On écrit le produit vectoriel des 2 façons:
    Première façon : M=||OP||x||OR||x sin[angle(OP,OR)] x"z" soit M=racine(5²+3²)xracine((-3)²+5²)xsin Alpha d’où M=34.sin(Alpha) avec Alpha qui vaut soit +90°, soit -90° (c'est justement ce que l'on veut savoir !) car OP.OR=0 (produit scalaire nul).
    Deuxieme façon : M=(x.Y-y.X)."z" soit M=(5x5)-3x(-3)=34
    En identifiant les 2 équations, on déduit sin(Alpha)=1 donc Alpha=Angle(OP,OR)=90°
    Si on calcule le produit vectoriel inverse : M’=OR^OP,on a :
    Première façon : M’=||OR||x||OP||`x sin[angle(OR,OP)]= 34.sin(Alpha’)
    Deuxième façon : M’=(X.y-x.Y)."z" soit M’=(-3)x3-5x5=-34
    En identifiant les 2 équations, on déduit sin(Alpha ‘)=-1 donc Alpha’= angle(OR,OP)=-90°

    J'espere que j'ai répondu a ta question...

  15. #14
    krouss

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Oui la je suis totalement convaincu , c'est juste que j'avais jamais fais de produit de vecteurs , j'ai fait que des scalaires jusqu'ici mais je vois qu'avec ce nouvel outil , trouvé le signe a l'air facile comme tu l'a démontrer avec sin=1 ou-1 .

    Sinon pour la spirale , si j'ai la vitesse en fonction des composantes normales et tangentielles , je peut faire pour un point A un vecteur vitesse qui es la résultante du vecteur tangent et du vecteur normal ?

  16. #15
    krouss

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    Je vous en conjure , aidez moi pour ma spirale !

    J'ai trouvé v(t)=vo*up(vecteur normal) + wvot*uθ(vecteur tangent)
    sachant que wt= θ(t) et que je peut choisir la valeurs de mes constantes , par exemple vo=1 m/s et a 90° je pose t=1 donc 1.57=1*w j'ai alors w=1.57.

    Je dois donc dessiner les vecteur vitesses (a peu près ) sur ma spirale à 90°,180°,-90° (j'ai décidé d'avoir t+1 a chaque fois qu'on ajoute 90°) donc j'ai t=1 t=2 et t=3 .

    Je me demande alors , le vecteur normal est constant mais le vecteur tangent augmente en fonction du temps pas vrai ? , cela veut dire qu'au début j'ai un vecteur vitesse v=1*up + 1.57*1*uθ (a t=1), de meme pour 180° v=1*up+1.57*2*uθ et à -90° v=1-up+1.57*3*uθ.
    Donc lorsque t tend vers + infini , le vecteur vitesse devient de plus en plus orientée selon la vitesse normale uθ ?

  17. #16
    Micou38

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    D'abord, avant de se lancer dans les considérations, il faut un bon schéma et quelques définitions:

    Nom : polaire.jpg
Affichages : 67
Taille : 30,1 Ko

    Dans ce schéma, on a 2 repères: L'un est fixe [Ro=(X0, Y0, Z0)] et l'autre est mobile et suit le point P lors de son mouvement [Rp=(eR, eT,eZ=Z0)].
    D'abord, il faut se rappeler de la définition du vecteur vitesse pour un point P d'un solide S en mouvement par rapport a un repere fixe R0 que l'on notera VP(S/R0). Ce vecteur est par définition, le vecteur dérivé du vecteur position OP dans le repère R0:
    VP(S/RO)=[dOP/dt]R0

    Ensuite, il faut bien différencier le repère de calcul du repère de dérivation car on peut exprimer le vecteur final dans le repère Rp ou dans le repère R0.

    Commençons par exprimer ce vecteur vitesse dans le repere R0:
    On définit d'abord x(t) et y(t) en fonction de r(t)=V0.t et Teta(t)=w.t:
    x(t)=r(t).cos(Teta(t))=V0.t.cos(w.t)
    y(t)=r(t).sin(Teta(t))=V0.t.sin(w.t)
    Ensuite on ecrit le vecteur OP:
    OP=x(t).X0 + y(t).Y0
    Et on dérive ce vecteur OP par rapport au temps dans le repère RO qui est un repère fixe dans le temps (remarque importante):
    VP(S/R0)=[dOP/dt]R0=[d{(x(t).X0+y(t).Y0}/dt]R0=[dx(t)/dt.X0+dy(t)/dt.Y0]R0 car [dX0/dt]R0=[dY0/dt]R0=0 puisque les vecteur X0 et Y0 sont fixes et donc constants dans le temps.
    Il reste donc à calculer dx(t)/dt et dy(t)/dt:
    dx(t)/dt=V0.cos(w.t)-V0.t.w.sin(w.t)
    dy(t)/dt=V0.sin(w.t)+V0.t.w.cos(w.t)

    Au final, et dans le repère R0(X0, Y0, Z0), on obtient le vecteur vitesse en P:
    VP(S/R0)=[V0.cos(w.t)-V0.t.w.sin(w.t)].XO + [ V0.sin(w.t)+V0.t.w.cos(w.t)].Y0 ;(1)

    -------------------------------------------------------------------------------------------
    Une autre description du vecteur vitesse VP(S/R0) est possible à partir de OP décrit dans le repère Rp:
    OP=r(t).eR
    VP(S/R0)=[d{r(t).eR}/dt]R0=dr/dt.eR + r(t).[deR/dt]R0
    VP(S/R0)=V0.eR +V0.t.[deR/dt]R0
    Or pour obtenir le vecteur dérivé de eR dans le temps et dans R0, on applique la formule de BOUR (outil de dérivation vectoriel utilisant le produit vectoriel, encore lui !!!):
    [deR/dt]R0=wS/R0^eR=(w.Z0)^(eR)=w.(Z0^eR)
    Et comme (Z0^eR)=eT, il résulte:
    [deR/dt]R0=w.eT
    Si bien qu'au final, on a:
    VP(S/R0)=V0.eR +V0.t.w.eT ; (2)

    Cette expression est plus interessante que la precedente (1) car on voit tout de suite apparaitre la composante tangentielle de la vitesse (selon eT) et la composante normale (selon eR).
    Mais, on obtient le même résultat que (1) !!
    Pour s'en convaincre, il faut juste remplacer les vecteurs eR et eT par leur coordonnées dans X0 et Y0. Ainsi:
    eR=cos(Teta(t)).X0+sin(Teta(t)). Y0=cos(w.t).X0+sin(w.t).Y0
    eT=-sin(Teta(t)).X0+cos(Teta(t)).Y 0=-sin(w.t).X0+cos(w.t).Y0

    En remplaçant ces 2 expressions dans (2), on obtient:
    VP(S/R0)=V0.eR +V0.t.w.eT
    VP(S/R0)=V0.{cos(w.t).X0+sin(w.t).Y0} +V0.t.w.{-sin(w.t).X0+cos(w.t).Y0}

    Ensuite, on regroupe les termes selon X0 et selon Y0:
    VP(S/R0)=V0.cos(w.t).X0+V0.t.w.{-sin(w.t)}.X0 +V0.sin(w.t).Y0 +V0.t.w.cos(w.t).Y0
    VP(S/R0)=[V0.cos(w.t)-V0.t.w.sin(w.t)].XO + [ V0.sin(w.t)+V0.t.w.cos(w.t)].Y0 ;(1)


    AU FINAL, QUAND TU ECRIS: v(t)=vo*up(vecteur normal) + wvot*uθ(vecteur tangent)
    C'EST UNE DESCRIPTION QUI ME PARAIT JUSTE ET QUI EST FAITE DANS UN REPERE LOCAL !!
    C'EST LA MÊME CHOSE QUE MOI QUAND J'ECRIS: VP(S/R0)=V0.eR +V0.t.w.eT ; (2)
    TES CONCLUSIONS ME PARAISSENT JUSTES PUISQUE EFFECTIVEMENT, LA VITESSE NORMALE EST CONSTANTE ALORS QUE LA VITESSE TANGENTIELLE VARIE DE MANIERE LINEAIRE CROISSANTE. MAIS C'EST NORMAL, CAR LE RAYON r(t) AUGMENTE AVEC LE TEMPS ALORS QUE LA VITESSE ANGULAIRE EST CONSTANTE DONC PLUS ON S'ELOIGNE DE L'AXE, PLUS LA VITESSE LINEAIRE DOIT AUGMENTER SI ON SUPPOSE LE SOLIDE INDEFORMABLE. C'EST LE CAS DES MILITAIRES QUI DEFILENT TOUT EN GARDANT L'ALIGNEMENT. CELUI QUI EST SITUE A L'EXTREMITE DE LA LIGNE DOIT COURRIR POUR MAINTENIR L'ALIGNEMENT ALORS QUE CELUI QUI EST PROCHE DU CENTRE DE ROTATION SE DEPLACE A PEINE... TOUT CELA ME PARAIT COHERENT...

  18. #17
    krouss

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    MERCI BEAUCOUP MICOU MON SAUVEUR , dieu te bénisse mon ami tu m'éclaire tels le plus grands des lampadaires !! merci mille fois mon ami !

  19. #18
    Micou38

    Re : Besoin d'aide pour des exos L1MPI sur les coordonées polaires

    C'est bien la première fois qu'on me compare a un lampadaire !!

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