Couplage de deux oscillateurs mecaniques

Couplage de deux oscillateurs mecaniques

Couplage de deux oscillateurs mécaniques

Soient deux pendules simples identiques oscillant dans le même plan, avec la même pulsation telle que :

  • \omega_0^2 = g/l (formule dite des petites oscillations)

Sommaire

Couplage des deux pendules

Placer un ressort de longueur au repos égal à la distance M1M2 = a, entre les pendules immobiles. Ce faisant, on couple les 2 oscillateurs et les deux degrés de liberté x1 et x2 du mouvement de chaque pendule seront couplés par le ressort de raideur k.

Symétrie

La symétrie du problème fait apparaître deux régimes :

  • l'un symétrique: x1 = x2 : le ressort ne joue aucun rôle et la pulsation reste inchangée.
  • l'autre antisymétrique x1 = - x2 : le point milieu du ressort reste immobile. On se retrouve avec deux oscillateurs non couplés avec rappel par un ressort de raideur 2k. La pulsation est telle que:
  • \omega_u^2 = \frac{g}{l} + \frac{2k}{m}

Il suffirait donc d'avoir changé les coordonnées du problème en X1 =x 1+x2 et X2 = x1-x2 pour entraîner le découplage : c'est une situation générale pour des oscillateurs linéaires. En choisissant les coordonnées dites "normales", le couplage s'évanouit. C'est donc une notion relative au point de vue choisi.

Double résonance

Appelons arbitrairement (on vient de le voir) K = kl/mg , la constante de couplage. Si l'on force le mouvement de la première masse par une force sinusoïdale F cos(ωt) alors le mouvement x1(t) sera un mouvement sinusoïdal d'amplitude complexe x1(p) tel que :

  • x_1(p) = \frac{F}{m}\frac{p^2+\omega_0^2(1+K)}{(p^2+\omega_0^2)(p^2+\omega_u^2)}

qui est un réel conformément au théorème de Foster-Tuttle, avec résonance aux deux pulsations propres et une pulsation "bouchon" (x1(t)=0 ), juste au moment où la masse m2 oscille sur cette pulsation. Celle-ci est telle que \omega_{tampon}^2 = \omega_0^2(1+K), x2 ayant une amplitude finie.

Cependant, les phénomènes décrits ici ne sont valables que pour de petites oscillations.

Voir aussi

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