Nombres complexes en Physique - Exercice 1

1 h
90
En Physique, et tout particulièrement en Electronique, Electrocinétique et Electricité, le nombre complexe ii est noté jj, et donc j2=−1j^2=-1. Ceci afin de ne pas confondre le nombre complexe ii avec l'intensité du courant électrique (qui s'exprime en Ampère). Alors qu'en Mathématique, la notation jj est associée à l'une des trois racines cubique de l'unité : j=−1+i 32=ei 2π3j = \dfrac{-1 + i \, \sqrt{3}}{2} = e^{i \, \frac{2\pi}{3}}.
Les nombres complexes sont également très utilisé en Electromagnétisme, en Mécanique classique, en Mécanique des Fluides, en Relativité et également en Mécanique Quantique. La Physique Théorique apprécie les propriétés calculatoires des nombres complexes.
Question 1
Voici deux exercices qui mettent ceci en exemples. La Physique est une science calculatoire, donc ne soyez pas étonnés de développements relativement long, mais pas nécessairement compliqués !

Un filtre{\color{red}{\bf{filtre}}} est un dispositif mécanique ou électrique, qui permet de diminuer l'amplitude des signaux sinusoïdaux qui se présentent à son entrée lorsque leur fréquence ff (ou pulsation ω\omega à un facteur 2π2\pi près) n'appartient pas un intervalle de fréquence préalablement déterminé.
L'action d'un filtre{\color{red}{\bf{filtre}}} est déterminée par sa fonction  de  transfert{\color{red}{\bf{fonction \,\, de \,\, transfert}}}, qui est usuellement notée H\mathcal{H}. Cette fonction  de  transfert{\color{red}{\bf{fonction \,\, de \,\, transfert}}} est un nombre complexe qui dépend de la pulsation ω\omega du signal d'entrée. La pulsation ω\omega est un nombre réel strictement positif et même strictement plus grand que 11.
Par exemple, pour un filtre{\color{red}{\bf{filtre}}} électronique passe  bande  (du  second  ordre){\color{blue}{\bf{passe \,\, bande \,\, (du \,\, second \,\, ordre)}}} la fonction de transfert peut-être donnée par l'expression suivante :
H(ω)=11+j Q (ω−1ω)\mathcal{H}(\omega) = \dfrac{1}{1 + j \, Q \, \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right)}
Avec j2=−1j^2 = -1 et QQ est un nombre réel strixtement positif qui s'appelle le facteur de qualité.
Déterminer le module et l'argument de cette fonction de transfert.

Correction
Soient ZZ et zz deux nombres complexes. On rappelle que, si Z=1zZ=\dfrac{1}{z}, alors ∣Z∣=∣1z∣=1∣z∣|Z| = \left| \dfrac{1}{z} \right| = \dfrac{1}{|z|} et que arg⁡(Z)=−arg⁡(z)\arg(Z) = - \arg(z).
Ainsi, notons :
H(ω)=1h   \mathcal{H}(\omega) = \dfrac{1}{h} \,\,\, avec    h=1+j Q (ω−1ω)\,\,\ h = 1 + j \, Q \, \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right)
Donc, on va avoir ∣H(ω)∣=1∣h∣\left| \mathcal{H}(\omega) \right| = \dfrac{1}{|h|} et arg⁡(H(ω))=−arg⁡(h)\arg\left( \mathcal{H}(\omega) \right) = - \arg(h).
On a alors :
∣h∣=12+(Q (ω−1ω))2=1+Q2(ω−1ω)2|h| = \sqrt{1^2 + \left( Q \, \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right) \right)^2} = \sqrt{1 + Q^2 \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right)^2}
On peut alors écrire que :
h=1+j Q (ω−1ω)=∣h∣(1∣h∣+j Q (ω−1ω)∣h∣)h = 1 + j \, Q \, \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right) = |h| \left( \dfrac{1}{|h|} + j \, \dfrac{Q \, \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right)}{|h|} \right)
Puis, on a donc :
{cos⁡(arg⁡(h))=1∣h∣sin⁡(arg⁡(h))=Q (ω−1ω)∣h∣      ⟹      tan⁡(arg⁡(h))=sin⁡(arg⁡(h))cos⁡(arg⁡(h))=Q (ω−1ω)∣h∣1∣h∣=Q (ω−1ω)\left\lbrace \begin{array}{rcl} \cos\left( \arg(h) \right) & = & \dfrac{1}{|h|} \\ & & \\ \sin\left( \arg(h) \right) & = & \dfrac{Q \, \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right)}{|h|} \end{array}\right. \,\,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\,\, \tan\left( \arg(h) \right) = \dfrac{\sin\left( \arg(h) \right)}{\cos\left( \arg(h) \right)} = \dfrac{\dfrac{Q \, \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right)}{|h|}}{\dfrac{1}{|h|}} = Q \, \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right)
On en déduit alors que :
arg⁡(h)=arctan⁡(Q (ω−1ω))\arg(h) = \arctan \left( Q \, \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right) \right)
On peut alors écrire que :
∙  ∣H(ω)∣=1∣h∣=11+Q2(ω−1ω)2\bullet \,\, \left| \mathcal{H}(\omega) \right| = \dfrac{1}{|h|} = \dfrac{1}{\sqrt{1 + Q^2 \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right)^2}}
∙∙  arg⁡(H(ω))=−arg⁡(h)=−arctan⁡(Q (ω−1ω))\bullet \bullet \,\, \arg\left( \mathcal{H}(\omega) \right) = - \arg(h) = - \arctan \left( Q \, \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right) \right)
Finalement, on peut écrire que :
H(ω)=11+Q2(ω−1ω)2  e−j arctan⁡(Q (ω−1ω))\color{red}{\boxed{ \mathcal{H}(\omega) = \dfrac{1}{\sqrt{1 + Q^2 \left( \omega - \dfrac{1}{\omega} \right)^2}} \,\ e^{-j \, \arctan \left( Q \, \left( \omega - \frac{1}{\omega} \right) \right)}}}
Question 2

En Mécanique, l'étude d'une masse mm soumise à des oscillations amorties, par une force de frottement visqueuse, et excitée périodiquement par une force cosinusïdale de pulsation ω\omega est en en fait soumise à trois forces :
∙  \bullet \,\, une force de rappel vers sa position d'équilibre, notée −kx⃗-k \vec{x} ou k>0k>0 est le coefficient réel de raideur et x⃗\vec{x} le vecteur déplacement de la masse mm ;
∙ ∙  \bullet \, \bullet \,\, une force de frottement de type visqueuse, notée −kv⃗=d x⃗dt-k \vec{v} = \dfrac{d \, \vec{x}}{dt} ou f>0f>0 est le coefficient réel de frottement et v⃗\vec{v} le vecteur vitesse de la masse mm ;
∙ ∙ ∙  \bullet \, \bullet \, \bullet \,\, une force d'excitation cosinusoïdale, notée Fcos⁡(ω t)x⃗∣x⃗∣=Fcos⁡(ω t)x⃗xF \cos(\omega\,t) \dfrac{\vec{x}}{|\vec{x}|} = F \cos(\omega\,t) \dfrac{\vec{x}}{x} ou F>0F>0 est l'amplitude de la force excitatrice.
Le déplacement horizontal xx de la masse dépend du temps tt, c'est pourquoi on note x=x(t)=∣x⃗(t)∣x=x(t)=|\vec{x}(t)|. La modélisation mathématique de ce système mécanique se traduit par l'équation différentielle du second ordre suivante :
m d2 x(t)dt2+f d x(t)dt+k x(t)=Fcos⁡(ω t)m \, \dfrac{d^2 \, x(t)}{dt^2} + f \, \dfrac{d \, x(t)}{dt} + k \, x(t) = F \cos(\omega \, t)
Dans cette équation différentielle, le terme d2 x(t)dt2\dfrac{d^2 \, x(t)}{dt^2} est la dérivée seconde par rapport au temps tt du déplacement x(t)x(t), et le terme d x(t)dt\dfrac{d \, x(t)}{dt} est la dérivée seconde par rapport au temps tt du déplacement x(t)x(t).
La forme mathématique de la solution est x(t)=A cos⁡(ω t+φ)x(t) = A \, \cos(\omega \, t + \varphi) ou φ\varphi est un nombre réel appelé déphasage. A cette forme de solution, on va pouvoir associer le nombre complexe zxz_x tel que :
zx=A ei (ω t+φ)     ⟹     x(t)=ℜeˊ(zx)     avec :i2=−1z_x = A \, e^{i \, \left( \omega\, t + \varphi \right) } \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, x(t)=\Re é\left( z_x \right) \,\,\,\,\, \mathrm{avec} \,: i^2 = -1
On pose alors :
zx=Ax ei ω t      avec :  Ax=A ei φz_x = \mathcal{A}_x \, e^{i \, \omega\, t} \,\,\,\,\,\, \mathrm{avec \, :} \,\, \mathcal{A}_x = A \, e^{i \, \varphi}
Le terme Ax\mathcal{A}_x s'appelle l'amplitude complexe.
De plus, on note :
zF=F ei ω t            ⟹            Fcos⁡(ω t)=ℜeˊ(zF)z_F = F \, e^{i \, \omega\, t} \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,F \cos(\omega \, t) = \Re é\left({\color{black} {z_F}}\right)
Ainsi, on obtient l'équation différentielle suivante :
m d2 zxdt2+f d zxdt+k zx=zFm \, \dfrac{d^2 \, z_x}{dt^2} + f \, \dfrac{d \, z_x}{dt} + k \, z_x = z_F
A l'aide des nombres complexes, déterminer la solution réelle x(t)x(t) de l'équation différentielle proposée initialement. Pour cela, on supposera que k−m ω2>0k - m \, \omega^2 > 0 et que f ω>0f \, \omega > 0.

Correction
On a :
zx=Ax ei ω t   ⟹   d zxdt=i ωAx ei ω t   ⟹   d2 zxdt2=(i ω)2Ax ei ω t=−ω2Ax ei ω tz_x = \mathcal{A}_x \, e^{i \, \omega\, t} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \dfrac{d \, z_x}{dt} = i \, \omega \mathcal{A}_x \, e^{i \, \omega\, t} \,\,\, \Longrightarrow \,\,\, \dfrac{d^2 \, z_x}{dt^2} = (i \, \omega)^2 \mathcal{A}_x \, e^{i \, \omega\, t} = - \omega^2 \mathcal{A}_x \, e^{i \, \omega\, t}
L'équation différentielle faisant intervenir zxz_x et zFz_F devient alors :
− m ω2 Ax ei ω t+f i ω Ax ei ω t+k Ax ei ω t=F ei ω t- \, m \, \omega^2 \, \mathcal{A}_x \, e^{i \, \omega\, t} + f \, i \, \omega \, \mathcal{A}_x \, e^{i\, \omega\, t} + k \,\mathcal{A}_x \, e^{i \, \omega\, t} = F \, e^{i\, \omega\, t}
En simplifiant par le terme ei ω te^{i \, \omega\, t}, on obtient :
−m ω2 Ax+f i ω Ax+k Ax=F- m \, \omega^2 \, \mathcal{A}_x + f \, i\, \omega \, \mathcal{A}_x + k \,\mathcal{A}_x = F
En factorisant par Ax\mathcal{A}_x, on trouve que :
(− m ω2+f i ω+k) Ax=F\left( - \, m \, \omega^2 + f \, i \, \omega + k \right) \, \mathcal{A}_x = F
Soit :
Ax=Fk−m ω2+i f ω            ⟺            A ei φ=Fk−m ω2+i f ω\mathcal{A}_x = \dfrac{F}{k - m \, \omega^2 + i\, f \, \omega } \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\, A \, e^{i \, \varphi} = \dfrac{F}{k - m \, \omega^2 + i \, f \, \omega }
Comme F>0F > 0, on a ∣ F ∣=F| \, F \, | = F et arg⁡(F)=0\arg(F) = 0. D'où :
{A=F∣k−m ω2+i f ω∣φ=−arg⁡(k−m ω2+i f ω)      ⟺      {A=F(k−m ω2)2+(f ω)2φ=−arg⁡(k−m ω2+i f ω)\left\lbrace \begin{array}{rcl} A & = & \dfrac{F}{\left|k - m \, \omega^2 + i \, f \, \omega \right|} \\ & & \\ \varphi & = & - \arg(k - m \, \omega^2 + i \, f \, \omega) \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\,\, \Longleftrightarrow \,\,\,\,\,\, \left\lbrace \begin{array}{rcl} A & = & \dfrac{F}{\sqrt{(k - m \, \omega^2)^2 + (f \, \omega)^2} } \\ & & \\ \varphi & = & - \arg(k - m \, \omega^2 + i \, f \, \omega ) \\ \end{array}\right.
Posons ϕ=arg⁡(k−m ω2+i f ω)\phi = \arg(k - m \, \omega^2 + i \, f \, \omega), et déterminons son expression. Comme k−m ω2>0k - m \, \omega^2 > 0 et que f ω>0f \, \omega > 0, on en déduit que :
tan⁡(ϕ)=f ωk−m ω2        ⟹        ϕ=arctan⁡(f ωk−m ω2) \tan(\phi) = \dfrac{f \, \omega}{k - m \, \omega^2} \,\,\,\,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\,\,\,\, \phi = \arctan\left( \dfrac{f \, \omega}{k - m \, \omega^2} \right)
Et de fait, on a :
φ=− arctan⁡(f ωk−m ω2)\varphi = - \, \arctan\left( \dfrac{f \, \omega}{k - m \, \omega^2} \right)
Ceci nous permet d'obtenir :
{A=Ff2 ω2+(k−m ω2)2φ=− arctan⁡(f ωk−m ω2)     ⟹     zx=Ff2 ω2+(k−m ω2)2 ei (ω t− arctan⁡(f ωk−m ω2))\left\lbrace \begin{array}{rcl} A & = & \dfrac{F}{\sqrt{f^2 \, \omega^2 + \left( k - m \, \omega^2 \right)^2 }} \\ & & \\ \varphi & = & - \,\arctan\left( \dfrac{f \, \omega}{k - m \, \omega^2} \right) \\ \end{array} \right. \,\,\,\,\, \Longrightarrow \,\,\,\,\, z_x = \dfrac{F}{\sqrt{f^2 \, \omega^2 + \left( k - m \, \omega^2 \right)^2 }} \, e^{i \, \left( \omega \, t - \, \arctan\left( \frac{f \, \omega}{k - m \, \omega^2} \right) \right)}
Comme x(t)=ℜeˊ(zx)x(t) = \Re é \left(z_x\right), on en déduit finalement que :
Ff2 ω2+(k−m ω2)2 cos⁡(ω t− arctan⁡(f ωk−m ω2)){\color{red}{\boxed{\dfrac{F}{\sqrt{f^2 \, \omega^2 + \left( k - m \, \omega^2 \right)^2 }} \, \cos \left( \omega \, t - \, \arctan \left( \dfrac{f \, \omega }{k - m \, \omega^2 } \right) \right)}}}

Signaler une erreur

Aide-nous à améliorer nos contenus en signalant les erreurs ou problèmes que tu penses avoir trouvés.

Connecte-toi ou crée un compte pour signaler une erreur.