Exercice 1 - Énergie mécanique · Bac STI2D Physique-Chimie et Mathématiques Métropole 2023

EXERCICE 1 (4 points) (physique-chimie et mathématiques)

Le viscosimètre à chute de bille

La viscosité d'une huile, notée $\eta$, est un paramètre exprimé en $\text{kg}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}$, dont la connaissance est essentielle pour toute utilisation de cette huile.

Cet exercice propose un exemple de méthode de mesure de la valeur de la viscosité d'une huile de moteur Diesel du commerce.

Pour réaliser cette mesure, on utilise un « viscosimètre à chute de bille », constitué d'une éprouvette remplie d'huile de moteur dans laquelle est lâchée une bille métallique sphérique.

On se place dans le référentiel terrestre supposé galiléen et la bille est lâchée sans vitesse initiale depuis la position $z = 0$.

Données:

• Rayon de la bille utilisée: $R = 1{,}1\text{ cm}$.

• Volume de la bille: $V = 5{,}6\text{ cm}^3 = 5{,}6 \times 10^{-6}\text{ m}^3$.

• Masse de la bille métallique: $m = 20{,}1\text{ g}$.

• Masse volumique de l'huile étudiée: $\rho_{\text{huile}} = 8{,}40 \times 10^2\text{ kg}\cdot\text{m}^{-3}$.

• Intensité de la gravitation: $g = 9{,}8\text{ m}\cdot\text{s}^{-2}$.

Les forces exercées sur la bille métallique sont:

• Le poids $\vec{P}$

• La poussée d'Archimède, notée $\vec{P}_A$, de même direction que le poids $\vec{P}$ et de sens opposé. Sa valeur est $P_A = \rho_{\text{huile}} V g$, où $\rho_{\text{huile}}$ est la masse volumique de l'huile.

• La force de frottement fluide exercée par l'huile sur la bille est notée $\vec{f}$. Elle est ici de même direction que le poids $\vec{P}$ et de sens opposé. Sa valeur est donnée par la relation $f = 6\pi \eta R v$, où $v$ est la valeur de la vitesse de la bille, $\eta$ est la viscosité de l'huile et $R$ le rayon de la bille.

Q1.

Faire un schéma des forces s'appliquant sur la bille.

Exprimer le poids de la bille en fonction de $m$ et $g$ puis calculer sa valeur.

Calculer de même la valeur de la poussée d'Archimède $P_A$ et justifier que la bille d'acier tombe dans l'huile quand on la lâche en $z = 0$ avec une vitesse initiale nulle.

Q2.

En utilisant le principe fondamental de la dynamique, établir la relation liant le vecteur accélération $\vec{a}$, les forces s'exerçant sur la bille $\vec{f}$, $\vec{P}$, $\vec{P}_A$ et la masse $m$ de cette bille.

Q3.

On note $v$ la fonction définie sur $[0\; +\infty[$ comme la projection du vecteur vitesse $\vec{v}$ sur l'axe $(Oz)$. Montrer que $v$ vérifie l'équation différentielle:

$$\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t} = -\frac{6\pi\eta R v}{m} + g - \frac{\rho_{\text{huile}} V g}{m}$$

Q6.

On mesure expérimentalement une vitesse limite $v_{\text{lim}} = 1{,}1\ \text{m}\cdot\text{s}^{-1}$. On peut en déduire la valeur de la viscosité $\eta$ par la relation suivante:

$$\eta = \frac{(m - \rho_{\text{huile}} V) g}{6 \pi R v_{\text{lim}}}$$

Calculer cette valeur et comparer le résultat à la valeur $\eta = 0{,}66\ \text{kg}\cdot\text{m}^{-1}\cdot\text{s}^{-1}$ fournie par le fabricant.