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CLASSES PREPARATOIRES AUX GRANDES ECOLES<br />
FFa<br />
TRONC COMMUN DES UNIVERSITES (TCT)<br />
SCIENCES TECHNIQUES (ST) semestre 3 (LMD)<br />
z 0<br />
,z 1<br />
→<br />
→<br />
<strong>MECANIQUE</strong><br />
•<br />
ψ<br />
→<br />
z 2<br />
<strong>RATIONNELLE</strong><br />
→<br />
x 0<br />
O<br />
L<br />
L/2<br />
A<br />
•<br />
θ<br />
→<br />
y 0<br />
→<br />
→<br />
x 1 ,x 2<br />
R<br />
C<br />
Cours & exercices résolus<br />
Rappels sur les Vecteurs, Les Torseurs, Statique des Solides,<br />
Géométrie des Masses, Cinématique du Point et du Solide,<br />
Cinétique et Dynamique des Solides<br />
A. KADI<br />
U NIVERSITE M’HAMED B OUGARA - B OUMERDES
Cet ouvrage est destiné aux étudiants de deuxième année des classes<br />
préparatoires aux grandes écoles et aux étudiants du tronc commun de<br />
technologie des universités ainsi que les étudiants du semestre 3 des<br />
sciences techniques du système LMD. Il contient des chapitres de cours et<br />
des exercices résolus à la fin de chaque chapitre. Les solutions sont souvent<br />
détaillées et permette à l’étudiant de compléter sa compréhension du cours et<br />
faire soit même son évaluation.<br />
Les deux premiers chapitres traitent les outils mathématiques notamment les<br />
torseurs utilisés pour simplifier l’écriture des équations de la mécanique.<br />
Le chapitre trois décrit l’équilibre statique des solides et les différentes liaisons<br />
entre les solides et les équations qui les régissent.<br />
Le chapitre quatre est consacré à la géométrie des masses donc aux centres<br />
d’inertie et aux tenseurs d’inertie des solides. Savoir utiliser le théorème de<br />
Huygens permet de résoudre un bon nombre de problèmes en mécanique des<br />
solides et vibrations.<br />
Les chapitres cinq, six et sept traitent la cinématique du point matériel et la<br />
cinématique du solide indéformables ainsi que les contacts entre les solides. Le<br />
maniement des angles d’Euler et leur assimilation sont indispensables pour la<br />
compréhension de la mécanique des solides.<br />
Les chapitres huit et neuf décrivent la cinétique et les théorèmes fondamentaux<br />
de la dynamique et le principe de l’action et de la réaction.<br />
Le dernier chapitre traite la dynamique des solides en mouvements de rotation<br />
autour d’un axe et de leur équilibrage statique et dynamique.<br />
De nombreux exercices résolus dans cet ouvrage montrent aussi la manière dont<br />
il faut utiliser les théorèmes généraux de la mécanique et combien il est<br />
important de faire un bon choix des repères pour la détermination des éléments<br />
cinématiques et cinétiques des solides.<br />
La mécanique est la science qui décrit les lois des mouvements et de l’équilibre.<br />
Elle est à la base du dimensionnement des mécanismes, des machines, des<br />
structures, des ouvrages et autres réalisations de l’homme.<br />
J’espère que le lecteur ayant utilisé l’ouvrage pourra à la fin, en utilisant les<br />
torseurs des actions mécaniques et les différentes liaisons, écrire les équations de<br />
mouvement d’un mécanisme quelconque et résoudre le problème.<br />
Je tiens à remercier, toutes celles et ceux qui voudrons me faire parvenir leurs<br />
critiques, remarques ainsi que leurs suggestions afin d’améliorer le contenu de cet<br />
ouvrage.<br />
L’auteur<br />
Email : kadikali@yahoo.fr
Préface<br />
Quand Ali KADI m’a amicalement demandé d’écrire la préface de cet ouvrage, je<br />
n’ai pas hésité à répondre affirmativement. L’occasion qui m’est donc offerte me<br />
permet de m’adresser directement aux étudiants, aux enseignants et ingénieurs<br />
concernés par cet ouvrage. Elle me permet aussi de témoigner toute ma<br />
reconnaissance à l’auteur qui nous a offert, là, un ouvrage fort intéressant<br />
traitant d’un domaine clé des sciences de l’ingénieur, à savoir la « cinématique et<br />
dynamique des solides indéformables » où chaque cours est suivi d’une série<br />
d’exercices corrigés.<br />
L’ouvrage est structuré en chapitres complémentaires les uns des autres,<br />
traitant en détail de la géométrie des masses jusqu’à la dynamique des solides en<br />
passant par les théorèmes fondamentaux de la dynamique et du principe de<br />
l’action et de la réaction. Il s’adresse aussi bien aux étudiants des deux<br />
premières années des universités, aux étudiants des classes préparatoires aux<br />
grandes écoles, ainsi qu’aux enseignants et ingénieurs. Chacun en trouvera ce<br />
dont il a besoin. L’étudiant, pour approfondir ses connaissances et aller au-delà<br />
des concepts vus aux cours. L’enseignant, pour améliorer sa source de savoir.<br />
L’ingénieur pour en faire une référence indispensable.<br />
L’ouvrage proposé intègre un élément nouveau : l’approche méthodologique de<br />
résolution de problèmes. Corollaire d’une dizaines d’années de travail<br />
universitaire effectuée par l’auteur, l’approche est construite avec le souci<br />
constant de proposer des exercices corrigés à difficulté croissante, permettant<br />
la maîtrise graduelle des principes directeurs du cours.<br />
Enfin, l’heureuse idée d’avoir inclut au début de l’ouvrage une sélection des<br />
principaux outils mathématiques connexes à la compréhension de la science<br />
mécanique, ne peut que renforcer la notoriété de cet ouvrage.<br />
Professeur Kamel BADDARI<br />
Doyen de la faculté des sciences<br />
Université de Boumerdès<br />
Algérie
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CHAPITRE I<br />
LES OUTILS MATHEMATIQUES<br />
15
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
LES OUTILS MATHEMATIQUES<br />
La modélisation de l’espace réel, considéré dans le cadre de la mécanique classique comme<br />
étant à trois dimensions, homogène et isotrope suppose l’introduction d’outils mathématiques<br />
tel que les vecteurs, et les notions sur les torseurs. Dans cette partie nous présenterons les<br />
rappels et l’ensemble des opérations mathématiques sur les vecteurs. Nous développerons<br />
aussi l’étude sur les torseurs qui sont des outils mathématiques très important en mécanique<br />
classique, notamment en mécanique des solides. L’utilisation des torseurs en mécanique<br />
permet de simplifier l’écriture des équations relatives aux grandeurs fondamentales de la<br />
mécanique.<br />
1. Opérations sur les vecteurs<br />
Dans tout ce qui suit, on s’intéressera à l’ensemble E des vecteurs V de l’espace usuel. E est<br />
un espace Euclidien à trois dimensions.<br />
2. Définition<br />
Un vecteur est un segment de droite OA sur lequel on a choisi une origine O et une extrémité<br />
A ; il est défini par :<br />
- son origine ;<br />
A<br />
- sa direction ;<br />
O<br />
- son sens ;<br />
- son module.<br />
Par convention on adopte la notation suivante : vecteur : V<br />
3. Classification des vecteurs<br />
Il existe plusieurs types de vecteurs :<br />
- Vecteur libre : la direction, le sens et le module sont donnés mais la droite support et le<br />
point d’application (origine du vecteur) ne sont pas connues ;<br />
- Vecteur glissant : le point d’application (origine du vecteur) n’est pas fixé ;<br />
- Vecteur lié : tous les éléments du vecteur sont déterminés ;<br />
- Vecteur unitaire : c’est un vecteur dont le module est égal à 1.<br />
→<br />
ou<br />
−−→<br />
→<br />
OA<br />
16
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
4. Composantes d’un vecteur<br />
Considérons une base de l’espace<br />
3<br />
R notée :<br />
R<br />
0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= ( O,<br />
e1<br />
, e2<br />
, e3<br />
) . Cette base est orthonormée<br />
→ →<br />
si : e<br />
i<br />
• e j<br />
⎧ 1<br />
= ⎨<br />
⎩0<br />
si<br />
si<br />
i = j<br />
i ≠ j<br />
→<br />
e<br />
3<br />
La base<br />
R 0<br />
est dite directe si un observateur se plaçant à<br />
l’extrémité du vecteur e verra le vecteur<br />
→<br />
→<br />
3<br />
tourner vers le<br />
vecteur e dans le sens contraire des aiguilles d’une montre.<br />
2<br />
→<br />
e 1<br />
→<br />
e<br />
1<br />
→<br />
e 2<br />
→<br />
3<br />
Dans cette base un vecteur V de composantes ( x, y,<br />
z)<br />
∈ R s’écrirait :<br />
→ → → →<br />
V = x e1 + y e2<br />
+ z e3<br />
→<br />
Les quantités réelles x, y, z sont appelées composantes du vecteur V dans la base<br />
3<br />
R .<br />
La notation adoptée est la suivante : V<br />
→<br />
=<br />
⎧x<br />
⎪<br />
⎨y<br />
⎪<br />
⎩z<br />
→<br />
→<br />
R 0<br />
∈<br />
5. Loi de composition interne : Somme vectorielle<br />
→<br />
La somme de deux vecteurs V et V est un vecteur W tel que :<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
∀<br />
→<br />
V , V ∈ R<br />
1<br />
→<br />
2<br />
3<br />
nous avons W<br />
→<br />
= V1 + V2<br />
R<br />
3<br />
Soit ( a ) les composantes du vecteur V d’où : V a e + a e + a et<br />
( b1 , b2<br />
, b3<br />
)<br />
1,<br />
a2<br />
, a3<br />
les composantes du vecteur V d’où : V<br />
Le vecteur somme est défini par la relation :<br />
→<br />
2<br />
→<br />
1<br />
→ → → →<br />
1<br />
=<br />
1 1 2 2 3<br />
e3<br />
→ → → →<br />
2<br />
= b1<br />
e1<br />
+ b2<br />
e2<br />
+ b3<br />
e3<br />
→<br />
W<br />
→ →<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= V1 + V2<br />
= ( a1<br />
+ b1<br />
) e1<br />
+ ( a2<br />
+ b2<br />
) e2<br />
+ ( a3<br />
+ b3<br />
) e3<br />
→<br />
L’élément neutre ou vecteur nul, est noté : 0 = (0,0,0)<br />
5.1 Propriétés de la somme vectorielle<br />
→ → → →<br />
1+ 2 2<br />
V1<br />
- la somme vectorielle est commutative : V V = V + ;<br />
17
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ → → → → →<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
- la somme vectorielle est associative : ⎜V1 + V2<br />
⎟ + V3<br />
= V1<br />
+ ⎜V2<br />
+ V3<br />
⎟ ;<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
- l’élément neutre est défini par : V + 0 = V ;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→ → →<br />
⎛ ⎞<br />
- A tout vecteur V correspond un vecteur opposé noté −V tel que : V + ⎜ −V<br />
⎟ = 0<br />
⎝ ⎠<br />
5.2 Multiplication par un scalaire<br />
→<br />
Si λ est un nombre réel et<br />
→<br />
V<br />
un vecteur, leur produit est un vecteur.<br />
∀ → →<br />
3<br />
= λ<br />
→<br />
∈<br />
3<br />
∀λ ∈ R , V ∈ R ========><br />
→<br />
Le vecteur W est colinéaire au vecteur V .<br />
→<br />
W<br />
→<br />
V<br />
Si le vecteur V a pour composantes (a, b, c) tel que : V a e + a e + a ; le vecteur<br />
R<br />
→ → → →<br />
=<br />
1 1 2 2 3<br />
e3<br />
→<br />
W<br />
→<br />
s’écrirait : W<br />
1<br />
→<br />
1<br />
2<br />
→<br />
= λa<br />
e + λa<br />
e + λa<br />
e<br />
2<br />
3<br />
→<br />
3<br />
La multiplication d’un vecteur par un scalaire vérifie les propriétés suivantes :<br />
→ → →<br />
1 2<br />
) V<br />
1 2<br />
a) Distribution par rapport à l’addition des scalaires : ( λ + λ = λ V + λ V ;<br />
→ → → →<br />
1<br />
+<br />
2<br />
)<br />
1 2<br />
b) Distribution par rapport à la somme vectorielle : λ( V V = λV<br />
+ λV<br />
;<br />
→ →<br />
c) Associativité pour la multiplication par un scalaire : λ ( λ = λ λ V<br />
6. Combinaison linéaire des vecteurs<br />
1 2 V )<br />
1 2<br />
→<br />
→<br />
Soit les n vecteurs : V<br />
1, V2<br />
, V3,................<br />
V i<br />
...........<br />
V n<br />
→<br />
→<br />
→<br />
de l’espace<br />
3<br />
R et<br />
λ<br />
1<br />
, λ2<br />
, λ3,........<br />
λ des<br />
n<br />
nombres réels. Les vecteurs<br />
→ → →<br />
1<br />
V1<br />
, λ2<br />
V2<br />
, λ3<br />
V3<br />
λ ,................ λ V ...........<br />
λ V<br />
i<br />
→<br />
i<br />
n<br />
→<br />
n<br />
sont aussi des<br />
vecteurs de l’espace<br />
→<br />
3<br />
R ainsi que leur somme défini par :<br />
W<br />
→<br />
= λ →<br />
+<br />
→<br />
+<br />
→<br />
+ +<br />
→<br />
1<br />
V1<br />
λ2<br />
V2<br />
λ3<br />
V3<br />
.............<br />
λn<br />
Vn<br />
=<br />
W<br />
→<br />
Le vecteur W est appelé combinaison linéaire des vecteurs :<br />
6.1. Dépendance et indépendance linéaire entre les vecteurs<br />
6.1.1. Définition<br />
n<br />
∑<br />
i<br />
i<br />
→<br />
λ V<br />
→ → →<br />
1, V2<br />
, V3<br />
V ,............<br />
i<br />
→<br />
V n<br />
→<br />
On dit que les n vecteurs : V<br />
1, V2<br />
, V3,................<br />
V i<br />
...........<br />
V n<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
de l’espace<br />
3<br />
R sont linéairement<br />
18
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
=<br />
→<br />
indépendant si et seulement si, ils vérifient la relation suivante : ∑ λ V i i<br />
0 entraîne que<br />
tous les λ<br />
i<br />
sont nuls.<br />
n<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∑ λ<br />
i<br />
Vi<br />
= λ1 V1<br />
+ λ2<br />
V2<br />
+ λ3<br />
V3<br />
+ ............. + λn<br />
Vn<br />
= 0 ⇔ λ = 1<br />
0 , λ = 0 , …….. = 0<br />
2<br />
λ<br />
n<br />
i<br />
Si les λ<br />
i<br />
ne sont pas tous nuls on dit que les vecteurs sont linéairement dépendant entre eux.<br />
6.1.2. Propriétés sur l’indépendance des vecteurs<br />
→<br />
a) Un vecteur V est à lui seul un vecteur linéairement indépendant ;<br />
b) Dans un système de vecteurs linéairement indépendants, aucun d’entre eux ne peut être un<br />
vecteur nul ;<br />
c) Dans un ensemble de vecteurs indépendants, tout sous ensemble prélevé sur ces vecteurs<br />
forme un système de vecteurs indépendants.<br />
→<br />
n<br />
i<br />
6.1.3. Propriétés sur la dépendance des vecteurs<br />
Si n vecteurs sont dépendants entre eux alors, au moins l’un d’entre eux est une combinaison<br />
linéaire des autres. Soit les n vecteurs : V<br />
1, V2<br />
, V3,................<br />
V i<br />
...........<br />
V n<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
de l’espace<br />
3<br />
R et<br />
λ<br />
1<br />
, λ2<br />
, λ3,........<br />
des nombres réels, si ces vecteurs sont linéairement dépendants la relation :<br />
λ n<br />
n<br />
→ →<br />
=<br />
∑ λ V i i<br />
0<br />
Implique qu’il existe des λ<br />
i<br />
non nuls, de telle sorte que la relation puise s’écrire :<br />
V<br />
→<br />
λ V<br />
→ →<br />
→<br />
+ λ V<br />
1 1 2 2 3 3<br />
+ ............. + λ V n n<br />
i<br />
λ + = 0 qui donne par exemple :<br />
λ V<br />
→<br />
→ →<br />
⎛<br />
= −⎜<br />
+ + +<br />
⎝<br />
λ V λ V .............<br />
λ<br />
1 1 2 2 3 3<br />
→<br />
→<br />
n V n<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
V<br />
1<br />
1<br />
→<br />
⎛<br />
= − ⎜ +<br />
λ ⎝<br />
λ V λ V<br />
2 2 3<br />
1<br />
→<br />
3<br />
+ ............. + λ<br />
→<br />
n V n<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
On dit alors que V 1<br />
dépend linéairement des vecteurs :<br />
Remarque :<br />
→ → →<br />
1, 2 3<br />
→<br />
V n<br />
→<br />
→<br />
V<br />
2<br />
, V3,.........<br />
.........<br />
a) Si V V , V ,..................<br />
sont linéairement indépendant, alors les vecteurs<br />
→ → →<br />
→ → →<br />
1, 2 3<br />
n n+<br />
1 n+<br />
2<br />
V V , V ,.................. V , V , V ,... le sont aussi quel que soit les vecteurs V n<br />
, V ,...<br />
→<br />
V n<br />
→ →<br />
,<br />
+ 1 n+<br />
2<br />
19
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Dans un ensemble de vecteurs linéairement indépendants, chaque vecteur est une<br />
combinaison unique des autres vecteurs.<br />
b) Soit W → n<br />
= ∑α<br />
V →<br />
et U → n<br />
i i<br />
= ∑ β V →<br />
i i<br />
deux vecteurs indépendants:<br />
i<br />
i<br />
L’égalité entre les deux vecteurs indépendants est équivalente à n égalités entre les nombres<br />
→ →<br />
réels : Si W = V ⇔ α<br />
i<br />
= β<br />
i<br />
7. Produit scalaire de deux vecteurs<br />
On appelle produit scalaire de deux vecteurs V et V une loi de composition externe qui<br />
associe aux deux vecteurs, un scalaire (nombre réel) noté : V • tel que :<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
→<br />
1<br />
V 2<br />
∀<br />
→<br />
V<br />
1<br />
,<br />
→<br />
V<br />
2<br />
∈ R<br />
3<br />
⇒ V<br />
→ →<br />
1<br />
• V2<br />
∈ R<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V<br />
1<br />
• V2<br />
= V1<br />
V2<br />
cos( V1<br />
, V2<br />
) ; le résultat d’un produit scalaire est un scalaire.<br />
Le produit scalaire est nul, si :<br />
• Les deux vecteurs sont orthogonaux ;<br />
• L’un des vecteurs est nul.<br />
7.1 Propriétés du produit scalaire<br />
a) linéarité : ⎜ ⎛ → → → → → → →<br />
⎞<br />
V1<br />
+ V2<br />
⎟ • W = V1<br />
• W + V2<br />
• W<br />
⎝ ⎠<br />
⎛ → ⎞ → → →<br />
⎜ ⎟ ⎛<br />
⎜λV ⎟ • W = λ⎜V<br />
• W<br />
⎝ ⎠ ⎝<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
→ → → →<br />
→ →<br />
→ →<br />
b) symétrie par rapport aux vecteurs : V • W = W • V donc : V • V > 0 si V ≠ 0<br />
→ →<br />
Le produit scalaire est une forme linéaire symétrique associée aux vecteurs V et W .<br />
7.2 Expression analytique du produit scalaire<br />
Considérons une base b de l’espace<br />
→ → →<br />
3<br />
R notée : b = ( e1<br />
, e2<br />
, e3<br />
) . Cette base est orthonormée si :<br />
→<br />
e<br />
→<br />
i<br />
• e j<br />
⎧ 1<br />
= ⎨<br />
⎩0<br />
si<br />
si<br />
i = j<br />
i ≠ j<br />
→<br />
e<br />
3<br />
La base b est dite directe si un observateur se plaçant à l’extrémité<br />
→<br />
du vecteur e<br />
3<br />
verra le vecteur e<br />
1<br />
tourner vers le vecteur<br />
dans le sens contraire des aiguilles d’une montre.<br />
→<br />
→<br />
e 2<br />
→<br />
e<br />
1<br />
→<br />
e 2<br />
20
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
V 1<br />
→<br />
V 2<br />
Soient deux vecteurs et . Leurs expressions dans cette base sont :<br />
→ → → →<br />
1<br />
= a1<br />
e1<br />
+ a2<br />
e2<br />
+ a3<br />
e3<br />
V<br />
→ → → →<br />
2<br />
= b1<br />
e1<br />
+ b2<br />
e2<br />
+ b3<br />
e3<br />
Le produit scalaire des deux vecteurs est donné par :<br />
⎛<br />
⎞ ⎛<br />
⎞<br />
V +<br />
⎝<br />
⎠ ⎝<br />
⎠<br />
V<br />
→ → → → → → → →<br />
1<br />
• V2<br />
= ⎜a1<br />
e1<br />
+ a2<br />
e2<br />
+ a3<br />
e3<br />
⎟ • ⎜b1<br />
e1<br />
+ b2<br />
e2<br />
+ b3<br />
e3<br />
⎟ = a1b1<br />
+ a2b2<br />
a3b3<br />
7.3. Norme ou module d’un vecteur<br />
→<br />
On appelle norme ou module d’un vecteur V , noté :<br />
→<br />
V la racine carrée positive du produit<br />
scalaire du vecteur par lui-même.<br />
→<br />
V<br />
=<br />
→ →<br />
V • V<br />
=<br />
→<br />
2<br />
V<br />
Nous avons en particuliers :<br />
→ →<br />
V = λ V<br />
λ<br />
→<br />
→ → → → →<br />
1<br />
− V2<br />
≤ V1<br />
+ V2<br />
≤ V1<br />
+ V2<br />
V : appelé inégalité triangulaire.<br />
7.4. Vecteurs orthogonaux<br />
Deux vecteurs sont dits orthogonaux si et seulement si leur produit scalaire est nul :<br />
Si<br />
→ →<br />
→ → →<br />
V ⊥W<br />
⇔ V • W = 0<br />
Si trois vecteurs non nuls sont orthogonaux deux à deux, ils sont alors linéairement<br />
indépendant et ils constituent une base orthogonale dans<br />
3<br />
R .<br />
7.5. Base orthonormée<br />
Une base est dite orthonormée si les vecteurs qui la constituent sont perpendiculaires deux à<br />
→ → →<br />
(<br />
1 2 3<br />
deux et si leurs normes sont égales à 1. Si b = e , e , e ) est orthonormée nous avons alors :<br />
→ →<br />
1 2<br />
=<br />
→ →<br />
1 3<br />
=<br />
→ →<br />
2 3<br />
=<br />
e • e 0 , e • e 0 , e • e 0<br />
→ → →<br />
1 1 1<br />
=<br />
→ → →<br />
2 2 2<br />
=<br />
→ → →<br />
3 3 3<br />
=<br />
2<br />
2<br />
2<br />
e • e = e 1 , e • e = e 1 , e • e = e 1<br />
21
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A.KADI<br />
8. Produit vectoriel de deux vecteurs<br />
Le produit vectoriel de deux vecteurs V et V de l’espace<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
3<br />
R est un vecteur W<br />
→<br />
perpendiculaire à V et V , défini par : W<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
→ → → → → → →<br />
⎛ ⎞<br />
= V1<br />
∧V2<br />
= V1<br />
V2<br />
sin⎜V1<br />
, V2<br />
⎟ n<br />
⎝ ⎠<br />
ou<br />
→<br />
n<br />
: est un vecteur unitaire perpendiculaire à V et V<br />
Le produit vectoriel est nul si :<br />
- Les deux vecteurs sont colinéaires ;<br />
- L’un des vecteurs, est nul.<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
W<br />
→<br />
n<br />
→<br />
V<br />
2<br />
8.1. Propriétés du produit vectoriel<br />
→<br />
V<br />
1<br />
a) Le module du produit vectoriel est égal à l’aire du parallélogramme formé par V et V ;<br />
b) Le produit vectoriel est distributif à gauche et à droite pour la somme vectorielle :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
( V1<br />
+ V2<br />
) ∧ W = V1<br />
∧ W + V2<br />
∧ W<br />
→ → → → → → →<br />
∧ ( V1<br />
+ V2<br />
) = W ∧ V1<br />
+ W ∧V2<br />
W<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
c) Le produit vectoriel est associatif pour la multiplication par un nombre réel :<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
( λV ) ∧ W = λ(<br />
V ∧<br />
→<br />
W )<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V ∧ λW<br />
) = λ(<br />
V ∧<br />
→<br />
W )<br />
d) Le produit vectoriel est antisymétrique (anticommutatif)<br />
→ → → →<br />
1<br />
∧ V2<br />
= −V2<br />
∧ V1<br />
V<br />
Si on applique cette propriété au produit vectoriel d’un même vecteur, nous aurons :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V ∧ V = −( V ∧ V ) = 0<br />
On déduit à partir de cette propriété que : deux vecteurs non nuls sont colinéaires si et<br />
seulement si leur produit vectoriel est nul.<br />
Si<br />
→<br />
→<br />
V 1<br />
// V 2<br />
alors<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V 1<br />
∧ V 2<br />
= 0<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
1 = V2<br />
En effet si V 1<br />
// V 2<br />
on peut écrire : V λ ⇒<br />
→ → → →<br />
1<br />
V2<br />
= λ V2<br />
∧ V<br />
→<br />
V ∧ ( ) 2<br />
= 0<br />
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A.KADI<br />
8.2. Produit vectoriel des vecteurs unitaires d’une base orthonormée<br />
→ → →<br />
(<br />
1 2 3<br />
Si b = e , e , e ) est orthonormée nous avons :<br />
→ → →<br />
1∧ 2<br />
e3<br />
→ → →<br />
2<br />
∧<br />
3<br />
e1<br />
Sens direct : e e = , e e = , e<br />
→ → →<br />
3<br />
∧ e1<br />
= e2<br />
→ → →<br />
2<br />
∧<br />
1<br />
e3<br />
→ → →<br />
3<br />
∧<br />
2<br />
e1<br />
Sens opposé : e e = − , e e = − ,<br />
→ → →<br />
e1 ∧ e3<br />
= − e2<br />
8.3. Expression analytique du produit vectoriel dans une base orthonormé direct<br />
Le produit vectoriel de deux vecteurs<br />
→<br />
→<br />
V 1 et V 2<br />
de composantes respectives dans une base<br />
orthonormée direct R:<br />
⎧X<br />
1<br />
→<br />
⎪<br />
V<br />
1=<br />
⎨Y1<br />
et<br />
⎪<br />
R ⎩Z1<br />
⎧X<br />
⎧ ⎧ −<br />
→ ⎪ ⎪ ⎪<br />
∧ → 1<br />
X<br />
2<br />
Y1Z<br />
2<br />
Z1Y2<br />
V<br />
1<br />
V2<br />
= ⎨Y1<br />
∧ ⎨Y2<br />
= ⎨Z1X<br />
2<br />
− X<br />
1Z<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
⎩Z1<br />
⎩Z<br />
2 ⎩ X<br />
1Y2<br />
− Y1<br />
X<br />
2<br />
2<br />
⎧X<br />
2<br />
→<br />
⎪<br />
V<br />
2<br />
= ⎨Y2<br />
⎪<br />
R ⎩Z<br />
2<br />
8.4. Produit mixte<br />
→ → →<br />
1 2<br />
,<br />
3<br />
On appelle produit mixte de trois vecteurs V , V V pris dans cet ordre, le nombre réel défini<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
par : V<br />
→ ⎜ ∧ →<br />
1<br />
• V2<br />
V3<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
Le produit mixte est donc un scalaire égal au volume<br />
du parallélépipède formé par les trois vecteurs.<br />
Le produit mixte est nul, si :<br />
- les trois vecteurs sont dans le même plan ;<br />
- deux des vecteurs sont colinéaires ;<br />
- l’un des vecteurs, est nul.<br />
→<br />
V 3<br />
→<br />
V 2<br />
→<br />
V<br />
1<br />
On montre facilement que, dans une base orthonormée directe, le produit mixte est un variant<br />
scalaire par permutation circulaire direct des trois vecteurs car le produit scalaire est<br />
commutatif:<br />
→<br />
⎛<br />
V ⎜V2<br />
∧V<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎟ = V<br />
⎠<br />
→<br />
⎛<br />
⎜V1<br />
∧V<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎟ = V<br />
⎠<br />
→<br />
⎛<br />
⎜V3<br />
∧<br />
⎝<br />
→<br />
→ →<br />
→ →<br />
→<br />
1<br />
•<br />
3 3<br />
•<br />
2 2<br />
• V1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
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A.KADI<br />
Remarque :<br />
Une notation simplifiée, dans laquelle les opérateurs n’apparaissent pas, est adoptée dans ce<br />
cas pour faciliter l’écriture des équations vectorielles :<br />
→<br />
→ → →<br />
⎛ ⎞<br />
V → ⎜ ∧ →<br />
1<br />
• V2<br />
V3<br />
⎟ est équivalent à ⎜ ⎛ ⎞<br />
V1 , V2,V3<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
→ → → → → → → → →<br />
nous avons alors : ⎜ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
V1 , V2<br />
, V3<br />
⎟ = ⎜V3<br />
, V1<br />
, V2<br />
⎟ = ⎜V2<br />
, V3,<br />
V1<br />
⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
8.5. Double produit vectoriel<br />
→ → →<br />
1 2<br />
,<br />
3<br />
Le double produit vectoriel de trois vecteurs respectifs V , V V est un vecteur W exprimé<br />
→<br />
→<br />
par la relation : W<br />
→ →<br />
⎛<br />
= V ∧ ⎜V2<br />
∧<br />
⎝<br />
→<br />
1<br />
V3<br />
→<br />
→<br />
⎞<br />
⎟ . Le vecteur W est perpendiculaire au vecteur V<br />
1<br />
et au<br />
⎠<br />
→ →<br />
2<br />
∧ V 3<br />
vecteur formé par le produit : V , il est donc dans le plan formé par les vecteurs<br />
→<br />
→<br />
V 2<br />
et V 3<br />
. Le vecteur W peut s’écrire : W<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
= aV2 + bV3<br />
Nous pouvons présenter cette relation autrement par identification des scalaires a et b, on<br />
obtient :<br />
→ → → → → →<br />
→ → →<br />
1<br />
∧ V2<br />
∧V3<br />
= ( V1<br />
• V3<br />
) V2<br />
− ( V1<br />
• V2<br />
) V3<br />
V<br />
Il faut faire attention à l’ordre des vecteurs car le produit vectoriel n’est pas commutatif.<br />
Pour retenir cette formule, il est plus simple de l’écrire sous la forme :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→ → →<br />
• C)<br />
A ∧ B∧<br />
C = B(<br />
A<br />
−<br />
→<br />
C ( A<br />
→ →<br />
• B)<br />
9. Projection des vecteurs<br />
9.1. Projection orthogonale d’un vecteur sur un axe<br />
→<br />
Soit V un vecteur quelconque, et (<br />
Δ ) un axe de l’espace défini par son vecteur unitaire u .<br />
→<br />
La projection orthogonale du vecteur V est la composante V de ce vecteur du cet axe.<br />
→<br />
u<br />
→<br />
→ → → →<br />
Vu = ( V • u ) u<br />
→<br />
u<br />
→<br />
V<br />
→<br />
V u<br />
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9.2. Projection orthogonale d’un vecteur sur un plan<br />
→<br />
Soit V un vecteur quelconque, et ( π ) un plan de l’espace défini par la normale<br />
→<br />
n<br />
. La<br />
→<br />
projection orthogonale du vecteur V est la composante V dans le plan.<br />
→<br />
Le vecteur V a deux composantes l’une dans le plan et l’autre perpendiculaire au plan. On a<br />
→<br />
π<br />
ainsi : V<br />
→<br />
π<br />
→<br />
→ → → → →<br />
n<br />
= V − ( V • n )<br />
= V − V<br />
n<br />
Qui s’écrit aussi sous la forme : V<br />
→<br />
π<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= ( n•<br />
n)<br />
V − ( V • n)<br />
n<br />
On retrouve la relation du double produit vectoriel<br />
→<br />
V n<br />
→<br />
n<br />
→<br />
V<br />
→<br />
V<br />
π<br />
(π<br />
→ → → → → →<br />
entre les vecteurs V et n : V = n∧<br />
( V ∧ n )<br />
π<br />
10. Division vectorielle<br />
Si<br />
→<br />
→<br />
X ∧V<br />
→<br />
= W<br />
, on dit que<br />
→<br />
X est le résultat de la division vectorielle de W par V<br />
→<br />
→<br />
→<br />
i) V ne doit pas être un vecteur nul ;<br />
ii)<br />
→<br />
W<br />
→<br />
et V doivent être orthogonaux<br />
S’il existe une solution particulière<br />
→<br />
X 0<br />
, alors elle est la forme<br />
→<br />
→<br />
→<br />
X = α V ∧W<br />
0<br />
En remplaçant cette valeur dans l’expression X ∧V<br />
= W on obtient :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
α (V ∧W<br />
) ∧V<br />
= W ⇔ α W ( V • V ) −α<br />
V ( V • W ) = W<br />
→ →<br />
→<br />
Comme V ⊥W alors V • = 0 ; on obtient :<br />
→<br />
W<br />
→ → → →<br />
W ( V • V ) = W<br />
1<br />
α ⇒ α =<br />
2<br />
V<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Nous avons aussi :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
X ∧V<br />
= X<br />
0<br />
∧V<br />
⇒<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
( X − X<br />
0<br />
) ∧V<br />
= 0<br />
cette expression montre que le<br />
→ →<br />
→<br />
vecteur ( X − X ) est parallèle à V , dans ce cas nous pouvons écrire que :<br />
0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
( X − X<br />
0<br />
) = λV<br />
avec λ ∈ IR ou<br />
→<br />
X<br />
→<br />
→<br />
= X + λV<br />
0<br />
finalement :<br />
→<br />
X<br />
→<br />
→<br />
V ∧W<br />
→<br />
= + λV<br />
2<br />
V<br />
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11. Règle des sinus dans un triangle<br />
Soit un triangle quelconque ABC nous pouvons établir une relation entre les trois côtés et les<br />
trois angles du triangle.<br />
Dans les triangles ABD et CBD , nous avons :<br />
DB<br />
sin α = et<br />
AB<br />
d’où :<br />
On déduit :<br />
sin β =<br />
AB sinα<br />
= BC sin β<br />
BC AB =<br />
sinα<br />
sin β<br />
DB<br />
BC<br />
De même pour les triangles AEC et BEC , nous avons :<br />
EC<br />
sin α = et<br />
AC<br />
On déduit :<br />
BC AC =<br />
sinα sinθ<br />
A<br />
α<br />
D<br />
θ<br />
B<br />
β<br />
π − θ<br />
EC<br />
sin( π − θ ) = d’où AC sinα<br />
= BC sin( π −θ<br />
) = BC sinθ<br />
BC<br />
On déduit finalement une relation appelée règle des sinus dans un triangle:<br />
12. Opérateurs et vecteurs<br />
BC<br />
AC<br />
= AB =<br />
sinα<br />
sin β sinθ<br />
→ → →<br />
12.1 Opérateur gradient dans un repère orthonormé R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
On défini l’opérateur vectorielle noté :<br />
→<br />
∇ =<br />
∂<br />
∂<br />
→<br />
i +<br />
x<br />
∂<br />
∂y<br />
→<br />
j+<br />
l’espace suivant les trois directions des vecteurs unitaires.<br />
∂<br />
∂z<br />
→<br />
k<br />
C<br />
E<br />
comme étant la dérivée dans<br />
Le gradient d’un scalaire U est défini comme étant la dérivée vectorielle suivant les trois<br />
→ → →<br />
directions respectives i , j,<br />
k par rapport aux variables : x, y, z .<br />
Exemple :<br />
−−−−−→<br />
∂U<br />
→<br />
∂U<br />
→<br />
∂U<br />
→ −−−→ →<br />
gradU ( x,<br />
y,<br />
z)<br />
= i + j+<br />
k ou grad U = ∇U<br />
∂x<br />
∂y<br />
∂z<br />
∂U<br />
U = 3 xy − 2zx<br />
+ 5yz<br />
: = 3y<br />
− 2z<br />
∂x<br />
−−−−−→<br />
→<br />
∂U<br />
, = 3 x + 5z<br />
∂y<br />
gradU ( x,<br />
y,<br />
z)<br />
= (3y<br />
− 2z)<br />
i + (3x<br />
+ 5z)<br />
j+<br />
( −2x<br />
+ 5y)<br />
k<br />
Le gradient d’un scalaire est un vecteur.<br />
→<br />
→<br />
∂U<br />
, = −2 x + 5y<br />
∂z<br />
26
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ → →<br />
12.2 Opérateur divergence dans un repère orthonormé R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
La divergence d’un vecteur<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V = V i + V j+<br />
V k<br />
x<br />
y<br />
z<br />
est définie comme étant le produit scalaire<br />
de l’opérateur :<br />
→<br />
∇ =<br />
∂<br />
∂<br />
→<br />
i +<br />
x<br />
∂<br />
∂y<br />
→<br />
j+<br />
∂<br />
∂z<br />
→<br />
k<br />
→<br />
par le vecteur V ; noté :<br />
→<br />
divV<br />
→ →<br />
∇ •<br />
= V<br />
→<br />
)<br />
div ( V<br />
⎛ ∂<br />
→<br />
∂<br />
→<br />
∂<br />
→⎞<br />
= ⎜ i + j+<br />
k ⎟<br />
⎝ ∂x<br />
∂y<br />
∂z<br />
⎠<br />
→<br />
⎛<br />
• ⎜Vx<br />
⎝<br />
i + V<br />
La divergence d’un vecteur est un scalaire.<br />
y<br />
→<br />
j+<br />
V<br />
z<br />
→⎞<br />
∂Vx<br />
k ⎟ =<br />
⎠ ∂x<br />
∂V<br />
y<br />
+<br />
∂y<br />
∂V<br />
+<br />
∂z<br />
z<br />
→ → →<br />
12.3 Opérateur rotationnel dans un repère orthonormé R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
Le rotationnel d’un vecteur<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V = V i + V j+<br />
V k<br />
x<br />
y<br />
z<br />
est définie comme étant le produit<br />
vectoriel de l’opérateur :<br />
→<br />
∇ =<br />
∂<br />
∂<br />
→<br />
i +<br />
x<br />
∂<br />
∂y<br />
→<br />
j+<br />
∂<br />
∂z<br />
→<br />
k<br />
→<br />
par le vecteur V ;<br />
⎛ ∂<br />
⎝ ∂x<br />
−−→ → → →<br />
−−→ →<br />
→ → →<br />
→ → →⎞<br />
rot V = ∇∧ V ; rot(<br />
V ) = ⎜ i + j+<br />
k ⎟ ∧ ⎜Vx<br />
i + Vy<br />
j+<br />
Vz<br />
k ⎟ ⎠<br />
Le rotationnel d’un vecteur est aussi un vecteur.<br />
∂<br />
∂y<br />
⎧ ∂ ⎧V<br />
⎪ ⎪<br />
⎪<br />
∂x<br />
−−→ →<br />
∂ ⎪<br />
Sous la forme matricielle nous aurons : rot(<br />
V ) = ⎨ ∧ ⎨V<br />
⎪∂y<br />
⎪<br />
⎪ ∂ ⎪<br />
⎪<br />
⎩∂<br />
⎩V<br />
z<br />
Remarque :<br />
∂<br />
∂z<br />
x<br />
y<br />
z<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎧∂Vz<br />
⎪<br />
⎪<br />
∂y<br />
⎪∂Vx<br />
= ⎨<br />
⎪ ∂z<br />
⎪∂V<br />
y<br />
⎪<br />
⎩ ∂x<br />
∂V<br />
y<br />
−<br />
∂z<br />
∂Vz<br />
−<br />
∂x<br />
∂Vx<br />
−<br />
∂y<br />
Si f est un champ scalaire et<br />
→<br />
A<br />
et<br />
→<br />
B deux vecteurs quelconques, les relations suivantes<br />
sont vérifiées :<br />
-<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−−−→<br />
div ( f A)<br />
= fdiv A + A gradf ;<br />
(<br />
→ −−−−→ →<br />
→<br />
2 2 2<br />
= + +<br />
2 2 2<br />
- rot rot A)<br />
= grad(<br />
div A)<br />
− Δ A , avec<br />
−−→<br />
→<br />
−−−−→<br />
−−→<br />
- rot(<br />
f A)<br />
= gradf ∧ A)<br />
+ f rot(<br />
A)<br />
;<br />
−−→<br />
−−−−→<br />
→<br />
- rot(gradf ) = 0 ;<br />
−−→<br />
→<br />
- div( rot(<br />
A)<br />
= 0 ;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
- div(<br />
A∧<br />
B)<br />
= B•<br />
rot(<br />
A)<br />
− A•<br />
rot(<br />
B)<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
∂ ∂ ∂<br />
Δ ;<br />
∂x<br />
∂y<br />
∂z<br />
27
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
EXERCICES ET SOLUTIONS<br />
Exercice 01 :<br />
Deux points A et B, ont pour coordonnées cartésiennes dans l’espace : A(2,3,-3), B(5,7,2)<br />
Déterminer les composantes du vecteur<br />
Solution :<br />
−→<br />
AB<br />
ainsi que son module, sa direction et son sens.<br />
−→<br />
Le vecteur AB est donné par :<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
AB = OB+<br />
OA = 3 i + 4 i + 5 i<br />
→<br />
→<br />
→<br />
2 2 2<br />
Son module : AB = 3 + 4 + 5 = 50<br />
Sa direction est déterminée par les angles ( α,<br />
β , θ ) qu’il fait avec chacun des axes du repère.<br />
Ses angles se déduisent par le produit scalaire du vecteur<br />
repère orthonormé :<br />
−→<br />
AB<br />
par les vecteurs unitaires du<br />
−→ →<br />
α = ( AB,<br />
i ) : AB −→ • →<br />
AB•<br />
i 3<br />
i = AB.1.cosα<br />
⇔ cos α = = = 0. 424 ⇒ α = 64. 89°<br />
AB 50<br />
−→ →<br />
β = ( AB,<br />
j)<br />
: AB −→ • →<br />
AB•<br />
j 4<br />
j = AB.1.cos β ⇔ cos β = = = 0. 565 ⇒ β = 55. 54°<br />
AB 50<br />
−→ →<br />
θ = ( AB,<br />
k)<br />
: AB −→ • →<br />
AB•<br />
k 5<br />
k = AB.1.cosθ<br />
⇔ cos θ = = = 0. 707 ⇒ θ = 44. 99°<br />
AB 50<br />
son sens : comme le produit scalaire du vecteur avec les trois vecteurs unitaires est<br />
positif alors, il a un sens positif suivant les trois axes du repère.<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
AB<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
k<br />
B<br />
→<br />
j<br />
→<br />
i<br />
A<br />
30
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 02 :<br />
→ →<br />
La résultante de deux forces F<br />
1<br />
et F2<br />
est égale à 50 N et fait un angle de 30° avec la<br />
→<br />
force F<br />
1<br />
= 15N<br />
. Trouver le module de la force F 2<br />
et l’angle entre les deux forces.<br />
Solution :<br />
= → → →<br />
R = 50 N ; V<br />
1<br />
15 N ; α = 30°<br />
, n ous avons : R = F 1<br />
+ F2<br />
C<br />
Dans le triangle rectangle: ACD rectangle en D, nous avons : →<br />
2 2 2<br />
R<br />
→<br />
AC = AD + DC<br />
F<br />
2<br />
AD = AB + BD = F 1<br />
+ F 2<br />
cosθ<br />
DC = F 2<br />
sinθ<br />
α θ<br />
A<br />
B D<br />
→<br />
F 1<br />
On obtient alors :<br />
2<br />
2<br />
2 2 2<br />
R = ( F1<br />
+ F2<br />
cosθ<br />
) + ( F2<br />
sinθ<br />
) = F1<br />
+ F2<br />
+ 2F1<br />
F2<br />
cosθ<br />
2 2 2<br />
R = F + F + F F cosθ (1)<br />
1<br />
2<br />
2<br />
1 2<br />
Nous avons aussi :<br />
CD<br />
sinα<br />
=<br />
R<br />
CD<br />
sinθ<br />
=<br />
F<br />
2<br />
⇒<br />
⇒<br />
CD =<br />
CD =<br />
Rsinα<br />
F sinθ<br />
2<br />
⎫<br />
⎬ ⇒ R sinα = F2<br />
sinθ<br />
⎭<br />
(2)<br />
AD F1 + F2<br />
cosθ<br />
et cosα<br />
= =<br />
⇒<br />
R R<br />
en remplaçant l’expression (3) dans (1), on aboutit à :<br />
R cosα<br />
− F<br />
F<br />
1<br />
cos θ =<br />
(3)<br />
2<br />
R<br />
2<br />
2 2<br />
⎛ R cosα<br />
− F1<br />
⎞<br />
2 2<br />
= F1<br />
+ F2<br />
+ 2F1<br />
F2<br />
⎜<br />
= F1<br />
+ F2<br />
+ 2F1<br />
( R cos − F1<br />
)<br />
F<br />
⎟<br />
α<br />
⎝ 2 ⎠<br />
2 2<br />
d’où : F = R − F − F ( R cosα<br />
− )<br />
2 1<br />
2<br />
1<br />
F1<br />
2 2<br />
F = 50 −15<br />
− 2x15(50cos30° −15)<br />
44, 44N<br />
2<br />
=<br />
50cos30 −15<br />
L’expression (3) nous donne : cos θ =<br />
= 0, 566 ⇒ θ = 55, 528°<br />
50<br />
31
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 03 :<br />
Soient les vecteurs suivants :<br />
→ → → →<br />
U1<br />
= A1<br />
i + A2<br />
j+<br />
A3<br />
k<br />
et<br />
→ → → →<br />
U<br />
2<br />
= B1<br />
i + B2<br />
j+<br />
B3<br />
k<br />
→ → → → →<br />
2<br />
,<br />
1 1 2 2<br />
1) Calculer les produits scalaires : U • U U • U , U • U ,<br />
→<br />
1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
On donne : V = 2 i − j+<br />
5 k , V = −3<br />
i + 1,5 j−<br />
7. 5 k ,<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V = −5<br />
i + 4 j+<br />
k<br />
3<br />
→<br />
2) Calculer V1<br />
• V2<br />
et V1<br />
∧V2<br />
;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
3) Sans faire de représentation graphique que peut-on dire du sens et de la direction du<br />
→<br />
2<br />
→<br />
1<br />
vecteur V par rapport à V ;<br />
4) Calculer les produits suivants V • ( V ∧ V3 ) et V ∧ V ∧ V ) ;<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
→<br />
1<br />
→ →<br />
(<br />
2 3<br />
5) Déterminer la surface du triangle formé par les vecteurs V 2<br />
et V 3<br />
→<br />
→<br />
Solution :<br />
→ →<br />
1 2 1 1 2 2 3B3<br />
→ →<br />
1 1 1 2<br />
A3<br />
2 2 2<br />
1) U • U = A B + A B + A , U • U = A + A + ,<br />
→ →<br />
2 2 2<br />
2<br />
• U<br />
2<br />
= B1<br />
+ B2<br />
B3<br />
U +<br />
→ →<br />
1 2<br />
−<br />
2) V • V = −6<br />
−1,5<br />
− 37,5 = 45<br />
⎧ 2 ⎧ − 3 ⎧ 7,5 − 7,5 ⎧0<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
V → ∧ →<br />
1<br />
V 2<br />
= ⎨−1,5<br />
∧ ⎨ 1,5 = ⎨−1,5<br />
+ 1,5 = ⎨ 0<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
⎩ 5 ⎩−<br />
7,5 ⎩ 3 − 3 ⎩ 0<br />
3) Comme le produit vectoriel des deux vecteurs est nul, alors ils sont parallèles<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V ∧ = 0 ⇒<br />
1<br />
V 2<br />
→<br />
V<br />
1<br />
→<br />
// V2<br />
De plus leur produit scalaire est négatif V<br />
1<br />
• V<br />
2<br />
= −45<br />
, alors les vecteurs V 1<br />
et V 2<br />
sont<br />
parallèles et de sens opposés<br />
⎧ 2 ⎛⎧<br />
− 3 ⎧− 5⎞<br />
⎧ 2 ⎧ 31,5<br />
→<br />
4) ( ) ⎪ ⎜⎪<br />
⎪ ⎟ ⎪ ⎪<br />
V<br />
→ 1 2<br />
∧ →<br />
• V V3 = ⎨−1•<br />
⎜⎨<br />
1,5 ∧ ⎨ 4 ⎟ = ⎨−1•<br />
⎨ 40,5 = 63 − 40,5 − 22,5 = 0<br />
⎪ 5<br />
⎜⎪<br />
7,5 ⎪ 1<br />
⎟ ⎪ 5 ⎪<br />
⎩ ⎝⎩−<br />
⎩ ⎠ ⎩ ⎩−<br />
4,5<br />
on peut retrouver ce résultat par la méthode vectorielle :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Nous avons<br />
→<br />
V<br />
1<br />
→<br />
// V2<br />
soit<br />
→ →<br />
→ → → ⎧<br />
⎪V<br />
2<br />
⊥W<br />
W = V2<br />
∧ V3<br />
⇔ ⎨ → →<br />
, calculons<br />
⎪⎩ V3<br />
⊥W<br />
→ →<br />
V1 • W<br />
32
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ → → →<br />
→<br />
V2<br />
⊥W<br />
V1<br />
// V2<br />
⇒ V1<br />
et ⊥W<br />
⇔ V • W 0<br />
→<br />
→ →<br />
1<br />
=<br />
⎧ 2 ⎛⎧<br />
− 3 ⎧− 5⎞<br />
⎧ 2 ⎧ 31,5 ⎧−198<br />
→ → →<br />
⎪ ⎜⎪<br />
⎪ ⎟ ⎪ ⎪ ⎪<br />
V ∧ ( ∧ )<br />
1<br />
V2<br />
V3 = ⎨−1∧<br />
⎜⎨<br />
1,5 ∧ ⎨ 4 ⎟ = ⎨−1∧<br />
⎨ 40,5 = ⎨166,5<br />
⎪ ⎜⎪<br />
⎪ ⎟ ⎪ ⎪ ⎪<br />
⎩ 5 ⎝⎩−<br />
7,5 ⎩ 1 ⎠ ⎩ 5 ⎩−<br />
4,5 ⎩112,5<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V ∧ ( V ∧ V ) 3<br />
= −198<br />
i + 166 j+<br />
112, 5 k<br />
1<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
5) La surface du triangle formé par les vecteurs V<br />
2<br />
et V 3<br />
est donnée par la moitié du<br />
module du produit vectoriel des deux vecteurs :<br />
→<br />
→<br />
Nous avons : V ∧ V = 31,<br />
5 i + 40,5 j−<br />
4,<br />
5 k alors :<br />
2<br />
3<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∧ →<br />
,<br />
2 2<br />
2<br />
V<br />
2<br />
V3<br />
= 315 , + 40,5 + ( −4 5) = 51,50<br />
→<br />
V 3<br />
→<br />
V<br />
S =<br />
2<br />
∧ V<br />
2<br />
→<br />
3<br />
51,50<br />
= = 25,75<br />
2<br />
c’est la demi surface du parallélogramme :<br />
→<br />
V 2<br />
Exercice 04 :<br />
Soient les vecteurs :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
U = 2 i + 6 k , V = 8 i + y j+<br />
z k , P = 3 i − 4 j+<br />
2 k ,<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Q = −2<br />
i + y j+<br />
12 k<br />
→ →<br />
1) Déterminer y et z pour que les vecteurs U et V soient colinéaires ;<br />
2) Déterminer la valeur de y pour que les vecteurs P et Q soient perpendiculaires;<br />
→<br />
→<br />
Solution :<br />
→<br />
→<br />
1) Si U et V sont colinéaires alors:U ∧ V = 0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⇔<br />
⎧2<br />
⎧8<br />
⎧ − 6y<br />
⎧0<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
⎨0<br />
∧ ⎨y<br />
= ⎨−<br />
2z<br />
+ 48 = ⎨0<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
⎩<br />
6 ⎩z<br />
⎩ 2y<br />
⎩0<br />
⇒<br />
⎧ y = 0<br />
⎨<br />
⎩z<br />
= 24<br />
→<br />
→<br />
2) Si P et Q sont perpendiculaires alors : P • Q = 0<br />
→<br />
→<br />
⎧ 3 ⎧−<br />
2<br />
→ →<br />
⎪ ⎪<br />
P • Q = 0 ⇔ ⎨−<br />
4 • ⎨ y = 0 ⇔ − 6 − 4y<br />
+ 24 = 0<br />
⎪<br />
⎩ 2 ⎪<br />
⎩12<br />
9<br />
y =<br />
2<br />
33
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 05 :<br />
Trouvez le volume d’un parallélépipède dont les cotés sont les vecteurs : U , P,<br />
Q,<br />
tel que :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
U = 2 i + 6 j , P = 3 j+<br />
5 k , Q = i + 4 j−<br />
2 k ,<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Solution :<br />
Le volume d’un parallélépipède est un scalaire positif. On doit utiliser une opération<br />
vectorielle dont le résultat est un scalaire positif : c’est le module du produit mixte des trois<br />
→<br />
→<br />
→<br />
vecteurs : v = U • ( P ∧ Q)<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎧2<br />
⎜<br />
⎧ ⎧<br />
0 1 ⎟ ⎧2<br />
⎧−<br />
26<br />
⎜<br />
⎪ ⎪<br />
→ → →<br />
⎟<br />
⎪ ⎜<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎟ ⎪ ⎪<br />
U • ( P ∧ Q)<br />
= ⎨6<br />
• ⎜ ⎨3<br />
∧ ⎨ 4 ⎟ = ⎨6<br />
• ⎨ 5 = − 52 + 30 = −22<br />
; ⇒<br />
⎜ ⎪ ⎪ ⎟<br />
⎪ ⎜ ⎪ ⎪ ⎟<br />
0 5 − 2 ⎪0<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪ ⎪<br />
⎩ ⎩ − 3<br />
⎩ ⎩<br />
v = U<br />
→ → →<br />
• ( P ∧ Q)<br />
= − 22 = 22<br />
⎝<br />
⎠<br />
Exercice 06 :<br />
La trajectoire d’un mobile dans un repère orthonormé directe<br />
3<br />
2<br />
t<br />
équations paramétriques suivantes : x = 4t , y = 4( t − ) ,<br />
3<br />
→ → →<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
est donnée par les<br />
z = 3t<br />
+ t<br />
3<br />
Montrer que le vecteur vitesse V fait un angle constant avec l’axe oz. Quelle est la valeur de<br />
cet angle.<br />
Solution :<br />
La vitesse du mobile est donnée par : V<br />
Nous avons en effet :<br />
V<br />
tgθ<br />
=<br />
V<br />
xy<br />
z<br />
=<br />
V<br />
2 x<br />
+<br />
V<br />
z<br />
V<br />
2<br />
y<br />
→<br />
→<br />
⎧ Vx<br />
= 8t<br />
⎪<br />
2<br />
= ⎨Vy<br />
= 4(1 − t )<br />
⎪<br />
2<br />
⎩V<br />
z<br />
= 3(1 + t )<br />
→<br />
i<br />
V x<br />
→<br />
k<br />
V<br />
z<br />
V<br />
xy<br />
→<br />
V<br />
θ<br />
V y<br />
→<br />
j<br />
tgθ<br />
=<br />
64t<br />
2<br />
+ 16(1 − t<br />
3(1 + t<br />
2<br />
)<br />
2<br />
)<br />
2<br />
=<br />
64t<br />
2<br />
4<br />
+ 16t<br />
− 32t<br />
2<br />
3(1 + t )<br />
2<br />
+ 16<br />
34
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tgθ ==<br />
16( t<br />
2<br />
+ 2t<br />
3(1 + t<br />
2<br />
2<br />
)<br />
+ 1)<br />
=<br />
16(1 + t<br />
3(1 + t<br />
2<br />
2<br />
)<br />
)<br />
2<br />
=<br />
4(1 + t<br />
3(1 + t<br />
2<br />
2<br />
)<br />
)<br />
=<br />
4<br />
3<br />
4<br />
tg θ = ⇒ θ = 53, 13°<br />
la valeur de l’angle est bien constante.<br />
3<br />
Exercice 07 :<br />
⎧1,22<br />
→<br />
⎪<br />
La ligne d’action d’une force F de 800 N , passe par les points A ⎨ 0 et<br />
⎪<br />
⎩2,74<br />
dans un repère orthonormé. Déterminer les composantes de cette force<br />
B<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨1,22<br />
⎪<br />
⎩0,61<br />
Solution :<br />
Nous avons :<br />
−→<br />
AB<br />
→<br />
= AB u<br />
AB<br />
⇒<br />
−→<br />
→<br />
AB<br />
u AB = vecteur unitaire porté par la ligne d’action.<br />
AB<br />
→<br />
u AB<br />
=<br />
−→<br />
AB<br />
AB<br />
=<br />
−1,22<br />
i + 1,22 j−<br />
2,13k<br />
( −1,22)<br />
2<br />
→<br />
→<br />
+ (1,22)<br />
2<br />
→<br />
+ ( −2,13)<br />
2<br />
=<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−1,22<br />
i + 1,22 j−<br />
2,13k<br />
2,74<br />
→<br />
→<br />
u AB<br />
= −0<br />
,445 i + 0,445 j−<br />
0, 777 k<br />
→<br />
La force F s’écrira :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
F<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= F u = 800( −0,445<br />
i + 0,445 j−<br />
0,777 k)<br />
= −356<br />
i + 356 j−<br />
621,6 k)<br />
AB<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Les composantes de la force sont ainsi connues suivant les trois axes du repère.<br />
Exercice 08 :<br />
Soit un repère orthonormé direct<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R( O,<br />
e1<br />
, e2<br />
, e3<br />
)<br />
dans l’espace vectoriel Euclidien<br />
3<br />
R à trois<br />
dimensions dans le corps des nombres réels. Soit un axe<br />
→<br />
Δ(<br />
O,<br />
u)<br />
passant par le point O et de<br />
⎧u1<br />
→ →<br />
⎪<br />
vecteur unitaire u tel que : u = ⎨ u2<br />
, et un vecteur quelconque<br />
⎪ ⎩ u<br />
3<br />
⎧V<br />
→<br />
⎪<br />
V = ⎨V<br />
⎪<br />
⎩V<br />
1<br />
2<br />
3<br />
35
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
On note<br />
π un plan orthogonal à l’axe Δ(<br />
O,<br />
u)<br />
u<br />
→<br />
1) Calculer les produits scalaires suivants : u • u , V • V , u • V ;<br />
→<br />
2) Déterminer les composantes du vecteur W = u∧<br />
V dans le repère R O,<br />
e , e , e ) ; En<br />
→<br />
déduire dans cette base la matrice représentant l’opérateur produit vectoriel noté :<br />
→<br />
∧<br />
[ ]<br />
u = *u<br />
;<br />
→<br />
V u<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→ → →<br />
(<br />
1 2 3<br />
3) Trouver l’expression du vecteur : projection orthogonale du vecteur V sur l’axe<br />
→<br />
Δ(<br />
O , u)<br />
; En déduire la matrice [ u ] représentant l’opérateur projection orthogonale sur<br />
→<br />
l’axe Δ(<br />
O,<br />
u)<br />
;<br />
P<br />
→<br />
V π<br />
4) Trouver l’expression du vecteur : projection orthogonale du vecteur V sur le plan<br />
π ; En déduire la matrice [ représentant l’opérateur projection orthogonale sur sur le<br />
u<br />
plan π<br />
u<br />
;<br />
5) Déterminer l’expression de la distance d d’un point<br />
u π<br />
]<br />
⎧x<br />
→<br />
⎪<br />
P ⎨y<br />
à l’axe Δ(<br />
O,<br />
u)<br />
; En déduire<br />
⎪<br />
R ⎩z<br />
2<br />
l’expression matricielle représentant la distance au carrée : d dans le repère R.<br />
→<br />
→<br />
Solution :<br />
1) Calcul des produits scalaires :<br />
→<br />
→<br />
u • u = u +<br />
2 2 2<br />
1<br />
+ u2<br />
u3<br />
→<br />
→<br />
2 2 2<br />
, V • V = V + V + ,<br />
1 2<br />
V3<br />
→<br />
→<br />
u • V = u V +<br />
1 1<br />
+ u2V2<br />
u3V3<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→ → →<br />
(<br />
1 2 3<br />
2) W = u∧<br />
V dans le repère R O,<br />
e , e , e )<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
W = u∧V<br />
⎛ u1<br />
⎞ ⎛V1<br />
⎞ ⎛u2V3<br />
− u3V<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
= ⎜u2<br />
⎟ ∧ ⎜V2<br />
⎟ = ⎜ u3V1<br />
− u1V<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎝u3<br />
⎠ ⎝V3<br />
⎠ ⎝ u1V<br />
2<br />
− u2V<br />
2<br />
3<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
, sous forme matricielle l’expression s’écrira :<br />
⎡ 0<br />
−→<br />
W =<br />
⎢<br />
⎢<br />
u3<br />
⎢⎣<br />
− u<br />
2<br />
− u<br />
0<br />
u<br />
1<br />
3<br />
u<br />
2<br />
− u<br />
0<br />
1<br />
⎤⎛V<br />
⎥⎜<br />
⎥⎜V<br />
⎥⎜<br />
⎦⎝V<br />
1<br />
2<br />
3<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⇔<br />
⎡ 0 − u3<br />
u2<br />
⎤<br />
−→<br />
→<br />
W =<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎢<br />
u3<br />
0 − u1⎥<br />
V<br />
⎢⎣<br />
− u u 0 ⎥<br />
2 1 ⎦<br />
36
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
⎡ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
3<br />
⎢⎣<br />
− u<br />
− u<br />
W − →<br />
= [* u] V<br />
→<br />
avec : [*<br />
u] = u 0 − u opérateur produit vectoriel.<br />
→<br />
V u<br />
2<br />
u<br />
3) Expression du vecteur , projection de V sur l’axe Δ(<br />
O,<br />
u)<br />
dans R<br />
1<br />
3<br />
u<br />
2<br />
0<br />
1<br />
→<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
→<br />
Nous avons :<br />
→<br />
V u<br />
⎛ ⎞<br />
= ⎜ u<br />
⎝ ⎠<br />
→ → →<br />
V • u ⎟<br />
→<br />
→<br />
⎛<br />
= ⎜V<br />
⎝<br />
→ →<br />
→<br />
→ → →<br />
⎞<br />
⎛<br />
⎞<br />
V u<br />
• u ⎟ u = ( u1V1<br />
+ u2V2<br />
+ u3V3<br />
) u = ( u1V1<br />
+ u2V2<br />
+ u3V3<br />
) ⎜u1<br />
e1<br />
+ u2<br />
e2<br />
+ u3<br />
e3<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎝<br />
⎠<br />
( ) ( ) ( ) →<br />
2<br />
→ 2<br />
→<br />
2<br />
= u<br />
1V1<br />
+ u1u2V2<br />
+ u1u3V3<br />
e1<br />
+ u1u2V1<br />
+ u2V2<br />
+ u2u3V3<br />
e2<br />
+ u1u3V1<br />
+ u2u3V2<br />
+ u3V3<br />
e3<br />
⎛ u1<br />
⎞<br />
⎜ ⎟<br />
= ⎜u2<br />
⎟ 1 2 3<br />
V<br />
⎜ ⎟<br />
⎝u3<br />
⎠<br />
( ) → T<br />
u u u V = [][ u u ] →<br />
Nous avons donc : [ u ]<br />
P<br />
=<br />
⎛ u<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝u<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
T<br />
[ u][ u ] = u ( u u u )<br />
2<br />
2<br />
1<br />
2<br />
3<br />
2<br />
⎡ u1<br />
⎢<br />
= ⎢u1u<br />
⎢<br />
⎣u1u<br />
2<br />
3<br />
u u<br />
1 2<br />
2<br />
u2<br />
u<br />
2<br />
u<br />
3<br />
u ⎤<br />
1u3<br />
⎥<br />
u2u3<br />
⎥<br />
2<br />
u ⎥<br />
3 ⎦<br />
→<br />
V π<br />
4) Expression du vecteur , projection de V sur le plan (π ) orthogonal à → u<br />
Le vecteur<br />
→<br />
V<br />
→<br />
a deux composantes, l’une perpendiculaire au plan elle est portée par l’axe<br />
(Δ)<br />
et l’autre dans le plan (π ) .<br />
Nous avons alors :<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎠<br />
→ → → → → → →<br />
V = Vu<br />
+ Vπ<br />
= ⎜V<br />
• u ⎟ u + Vπ<br />
→ → → → → → → → → → →<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
V<br />
π<br />
= V − ⎜V<br />
• u ⎟ u = ⎜ u • u ⎟V<br />
− ⎜V<br />
• u ⎟ u , on retrouve la forme du double produit<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
→ → → →<br />
⎛ ⎞<br />
vectoriel d’où : = u∧<br />
⎜V<br />
∧ u ⎟ . Le produit vectoriel est anticommutatif, alors :<br />
⎝ ⎠<br />
V π<br />
[<br />
→ → → →<br />
] →<br />
→<br />
→<br />
⎧ ⎫<br />
V ∧ u = − u∧V<br />
= − * u V , ce qui donne : V<br />
π = [*<br />
u] ⎨ − [*<br />
u]<br />
V ⎬<br />
⎩ ⎭<br />
* u T = −[ * u]<br />
mais nous savons que : [ ] on a finalement :<br />
T<br />
{ } V<br />
→<br />
[ u ] →<br />
⎧ T<br />
[ ] [ ] → ⎫<br />
= * u ⎨ * u V ⎬ = [*<br />
u][ * u]<br />
P<br />
V<br />
⎩ ⎭<br />
V<br />
→ π<br />
=<br />
37
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
avec [ ] [ ][ ] T<br />
u = * u * u<br />
P<br />
Développons cette expression :<br />
[ u ] = [*<br />
u][ * u]<br />
P<br />
T<br />
⎡ 0<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
u3<br />
⎢⎣<br />
− u<br />
2<br />
− u<br />
0<br />
u<br />
1<br />
3<br />
u<br />
2<br />
− u<br />
0<br />
1<br />
⎤⎡<br />
0<br />
⎥⎢<br />
⎥⎢<br />
− u<br />
⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
u2<br />
3<br />
u<br />
3<br />
0<br />
− u<br />
1<br />
− u<br />
u<br />
1<br />
0<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
=<br />
⎥⎦<br />
2<br />
⎡u2<br />
⎢<br />
⎢ −<br />
⎢<br />
⎣<br />
−<br />
+ u<br />
u u<br />
1<br />
u u<br />
1<br />
2<br />
3<br />
2<br />
3<br />
− u u<br />
u<br />
2<br />
1<br />
1<br />
+ u<br />
− u u<br />
2<br />
2<br />
2<br />
3<br />
3<br />
− u u<br />
u<br />
2<br />
1<br />
1<br />
2<br />
3<br />
− u u<br />
+ u<br />
3<br />
2<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
2 2 2<br />
2 2<br />
2 2 2<br />
2 2 2<br />
sachant que : u<br />
1<br />
+ u2<br />
+ u3<br />
= 1 alors : u<br />
2<br />
+ u3<br />
= 1−<br />
u1<br />
, u<br />
1<br />
+ u3<br />
= 1−<br />
u2<br />
, u<br />
1<br />
+ u2<br />
= 1−<br />
u<br />
u P<br />
La matrice [ s’écrira :<br />
]<br />
2<br />
3<br />
[ ]<br />
u P<br />
2<br />
⎡1−<br />
u1<br />
⎢<br />
= ⎢−<br />
u1u2<br />
⎢<br />
⎣<br />
− u1u3<br />
[ u ] = [] 1 − [ u][ u] T<br />
p<br />
− u u<br />
1 2<br />
2<br />
2<br />
1−<br />
u<br />
− u u<br />
or nous avons [ u * u * u<br />
P<br />
2<br />
3<br />
− u ⎤<br />
1u3<br />
⎡1<br />
0<br />
⎥<br />
− u =<br />
⎢<br />
2u3<br />
⎥ ⎢<br />
0 1<br />
2<br />
1−<br />
u ⎥<br />
⎦<br />
⎢<br />
3 ⎣0<br />
0<br />
2<br />
0⎤<br />
⎡ u1<br />
⎢<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
− ⎢−<br />
u1u<br />
1⎥⎦<br />
⎢<br />
⎣<br />
− u1u<br />
] = [ ][ ] T<br />
⇒ [*<br />
u][ * u] T<br />
= [ 1] − [ u][ u] T<br />
2<br />
3<br />
− u u<br />
1 2<br />
2<br />
2<br />
u<br />
− u u<br />
T<br />
T<br />
finalement : [* u ][ * u] + [ u][ u] = [ 1]<br />
2<br />
3<br />
− u ⎤<br />
1u3<br />
⎥<br />
− u2u3<br />
⎥<br />
2<br />
u ⎥<br />
3 ⎦<br />
5) Expression de la distance d du point P à l’axe Δ(<br />
O,<br />
u)<br />
→<br />
−→<br />
d = HP<br />
−→<br />
Calculons le produit vectoriel : OP ∧ u<br />
−→<br />
Le vecteur OP a pour composantes :<br />
−→ → −→ −→ → −→ →<br />
⎛ ⎞<br />
OP ∧ u = ⎜OH<br />
+ HP⎟<br />
∧ u = HP∧<br />
u<br />
⎝ ⎠<br />
→<br />
⎧x<br />
⎪<br />
OP<br />
−→<br />
= → r = ⎨y<br />
⎪<br />
R ⎩z<br />
→<br />
u<br />
H<br />
O<br />
(Δ)<br />
P<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
HP ∧ u = HP u sin 90°<br />
= HP = d<br />
nous avons alors :<br />
d 2<br />
−→ →<br />
⎛ ⎞<br />
= ⎜OP∧<br />
u ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
cette expression.<br />
−→ →<br />
⎛ ⎞<br />
• ⎜OP∧<br />
u ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
nous allons utiliser la règle du produit mixte afin de développer<br />
38
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
−→ → −→ → −→ → −→ → → −→ → −→<br />
2 ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛<br />
⎞ ⎛<br />
⎞<br />
d = ⎜OP∧<br />
u ⎟ • ⎜OP∧<br />
u ⎟ = ⎜OP∧<br />
u,<br />
OP,<br />
u ⎟ = ⎜ u,<br />
OP∧<br />
u,<br />
OP⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝<br />
⎠ ⎝<br />
⎠<br />
→ −→ → −→ →<br />
⎛<br />
⎞<br />
= ⎜u , OP,<br />
u∧<br />
OP⎟<br />
= u<br />
⎝<br />
⎠<br />
−→ → −→<br />
⎛ ⎛ ⎞⎞<br />
• ⎜OP<br />
∧ ⎜u<br />
∧ OP⎟⎟<br />
⎝ ⎝ ⎠⎠<br />
qui s’écrit sous forme :<br />
→ →<br />
d 2 → −→ → −→<br />
⎛ ⎛ ⎞⎞<br />
= u • V avec V = OP ∧ u ∧ OP ⎟<br />
⎠<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎜<br />
⎝<br />
D’après ce que l’on a vu précédemment, nous pouvons écrire :<br />
⎡ − ⎤<br />
⎤ ⎢<br />
⎥<br />
⎢<br />
⎡ 0 z y<br />
*<br />
→ r<br />
⎥<br />
=<br />
⎢<br />
z 0 − x<br />
⎣ ⎦<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
− y x 0 ⎥⎦<br />
⎟<br />
⎠<br />
d<br />
2<br />
→<br />
T<br />
→<br />
= •<br />
•<br />
•<br />
−→ → −→ →<br />
⎛ ⎛ ⎞⎞<br />
u ⎜OP<br />
∧ ⎜u<br />
∧ OP⎟⎟<br />
= u<br />
⎝ ⎝ ⎠⎠<br />
−→ −→ → →<br />
⎛ ⎛ ⎞⎞<br />
⎜OP∧<br />
⎜−<br />
OP∧<br />
u ⎟⎟<br />
= u<br />
⎝ ⎝ ⎠⎠<br />
→ → → →<br />
⎡ ⎤<br />
( r ∧ ( − r ∧ u)<br />
=<br />
⎢<br />
u<br />
⎣<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎤<br />
([*<br />
r][ − * r]<br />
) u<br />
⎥ ⎦<br />
or nous avons [ ] [ ] T<br />
− * r = * r<br />
d<br />
2<br />
→<br />
⎡ ⎤<br />
=<br />
⎢<br />
u<br />
⎣<br />
⎥<br />
⎦<br />
T<br />
→ →<br />
T<br />
→<br />
T ⎡ ⎤ ⎡ ⎤ ⎡ ⎤<br />
([*<br />
r][ * r]<br />
) u = u [ I ] u<br />
⎥ ⎦<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎥<br />
⎦<br />
O<br />
⎢<br />
⎣<br />
T<br />
( r ) = [ I ]<br />
avec [*<br />
][*<br />
r]<br />
O<br />
[ ]<br />
I O<br />
2<br />
⎡y<br />
+ z<br />
⎢<br />
= ⎢ − xy<br />
⎢<br />
⎣<br />
− xz<br />
2<br />
x<br />
− xy<br />
2<br />
+ z<br />
− yz<br />
2<br />
x<br />
− xz<br />
− yz<br />
2<br />
+ y<br />
en faisant intervenir la masse du solide, nous obtenons une matrice de la forme :<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
[ J ]<br />
0<br />
=<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
∫<br />
S<br />
( y<br />
−<br />
−<br />
2<br />
∫<br />
S<br />
∫<br />
S<br />
+ z<br />
2<br />
xydm<br />
xzdm<br />
) dm<br />
∫<br />
S<br />
−<br />
( x<br />
−<br />
∫<br />
S<br />
2<br />
∫<br />
S<br />
xydm<br />
+ z<br />
2<br />
yzdm<br />
) dm<br />
∫<br />
S<br />
⎤<br />
− ∫ xzdm ⎥<br />
S ⎥<br />
− ∫ yzdm ⎥<br />
S<br />
⎥<br />
2 2<br />
( x + y ) dm<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
qui est une matrice très particulière que l’on retrouvera dans les chapitres sur la cinétique et<br />
la dynamique des solides.<br />
Elle est appelée matrice d’inertie du solide.<br />
39
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice : 09<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Résoudre l’équation vectorielle : a∧<br />
x = b où a et b sont deux vecteurs non nuls.<br />
Solution :<br />
→ →<br />
L’équation n’admet de solution que si a et b sont orthogonaux. Soit ( π ) un plan<br />
→ →<br />
→<br />
contenant les vecteurs a et x , alors le vecteurs b est perpendiculaire à ce plan (π ) .<br />
On cherche d’abord une solution particulière avec un vecteur x 0<br />
tel que : a et x 0<br />
soient<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
deux vecteurs perpendiculaires entre eux :<br />
→<br />
a ⊥<br />
→ → →<br />
x0 ⇒ a • x0<br />
=<br />
0<br />
Alors on a aussi :<br />
→<br />
a<br />
∧<br />
→<br />
x<br />
0<br />
→<br />
= b<br />
Multiplions vectoriellement à gauche cette équation par le<br />
→<br />
a<br />
vecteur , on obtient :<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎠<br />
→ → → → →<br />
→ → → →<br />
a ∧ ⎜ a ∧ x0<br />
⎟ = a ∧ b ⇔ a⎜<br />
a • x0<br />
⎟ − x0<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
→ →<br />
a • a ⎟<br />
→<br />
⎞<br />
= a<br />
⎠<br />
→<br />
∧ b<br />
→ →<br />
⎛<br />
− x0<br />
⎜ a<br />
⎝<br />
→ →<br />
⎞<br />
• a ⎟ = a<br />
⎠<br />
→<br />
∧ b<br />
⇒<br />
→<br />
x<br />
0<br />
=<br />
→<br />
b<br />
→<br />
∧ a<br />
2<br />
a<br />
nous avons ainsi :<br />
→ → →<br />
⎧<br />
⎪a<br />
∧ x0<br />
= b<br />
⎨ → → →<br />
⎪⎩ a ∧ x = b<br />
en faisant la différence entre ces deux équations, nous<br />
→<br />
obtenons la solution générale x :<br />
→<br />
a<br />
∧<br />
→<br />
→<br />
x−<br />
a<br />
∧<br />
⎛<br />
⎝<br />
→ → → → →<br />
x0 = 0 ⇔ a ∧ ⎜ x−<br />
x0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
= 0<br />
Comme le produit vectoriel est nul alors alors → ⎛ ⎞<br />
a // → ⎜ x− x<br />
→<br />
0 ⎟ d’où :<br />
⎝ ⎠<br />
→<br />
→<br />
x−<br />
x<br />
0<br />
→<br />
= λ a<br />
On a finalement :<br />
→<br />
→<br />
0<br />
→<br />
x = x + λ a<br />
⇒<br />
→<br />
→<br />
→<br />
b ∧ a<br />
→<br />
x = + λ a<br />
2<br />
a<br />
Représentation géométrique :<br />
→<br />
b<br />
→<br />
x 0<br />
→<br />
a<br />
→<br />
x<br />
λ<br />
→<br />
a<br />
π<br />
40
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice : 10<br />
On dispose de deux forces l’une de 9 N l’autre de 7 N . Comment doit-on les disposer pour<br />
obtenir une résultante de : 16 N ; 11,40 ; 3 N<br />
Exercice 11 :<br />
Calculer la surface du triangle ABC, où les sommets ont pour coordonnées dans un repère<br />
orthonormé : A( − 1, − 3, − 2) , B(2,<br />
2, − 2) , C(3,<br />
2, 4)<br />
Exercice 12 :<br />
Déterminer la résultante des trois forces concourantes au point A(2,2,3) :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
F1 = i − 7 j+<br />
2, 5 k ; F2<br />
= 2 i − j+<br />
5 k ;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
F = −3<br />
i + j+<br />
4 k<br />
3<br />
Calculer :<br />
→ →<br />
F 1 − F 2<br />
,<br />
→ →<br />
F 1 ∧ F 2<br />
,<br />
→ →<br />
F 1 + F 2<br />
En déduire le module, la direction et le vecteur unitaire porté par la résultante<br />
→<br />
F 1<br />
→<br />
F 3<br />
Que peut-on dire de et .<br />
Exercice 13 :<br />
Soit le système d’équations vectorielles dans un repère orthonormé direct R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
,<br />
déterminer les deux vecteurs X et Y tels que :<br />
→<br />
→<br />
→ → →<br />
→ →<br />
⎧<br />
⎪ X + Y = V<br />
⎨ → →<br />
⎪⎩ X ∧ Y = V<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
(1)<br />
(2)<br />
avec<br />
→<br />
V<br />
1<br />
→<br />
V<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= 7 i + 4 j+<br />
2 k<br />
→<br />
= 8 i −15<br />
j+<br />
2 k<br />
On multiplie vectoriellement à gauche l’équation (1) par le vecteur<br />
règle de division vectorielle qu’on vient de voir dans l’exercice (09).<br />
→<br />
X puis on applique la<br />
→ → → → → → → → →<br />
⎛ ⎞<br />
X ∧ ⎜ X + Y ⎟ = X ∧V1<br />
⇒ X ∧ Y = X ∧V1<br />
, on remplace cette expression dans l’équation (2)<br />
⎝ ⎠<br />
→ → →<br />
∧<br />
2<br />
d’où : X V 1<br />
= V on déduit d’après ce que l’on a vue dans l’exercice (9) que :<br />
→ →<br />
→<br />
V<br />
→<br />
2<br />
∧V1<br />
X = + λ V<br />
2<br />
1<br />
V1<br />
⎛ 8 ⎞ ⎛7⎞<br />
⎛−<br />
38⎞<br />
→<br />
1 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ → → →<br />
⎛<br />
⎞ 1 ⎜ ⎟ → → →<br />
⎛<br />
⎞<br />
X = ⎜−15⎟<br />
∧ ⎜4⎟<br />
+ λ ⎜7<br />
i + 4 j+<br />
2 k ⎟ = ⎜ − 2 ⎟ + λ ⎜7<br />
i + 4 j+<br />
2 k ⎟<br />
69 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝<br />
⎠ 69 ⎝<br />
⎠<br />
⎝ 2 ⎠ ⎝2<br />
⎜<br />
⎠<br />
137 ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
41
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
X<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎛ − 38 ⎞ ⎛ − 2 ⎞ ⎛137<br />
⎞<br />
= ⎜ + 7λ ⎟ i + ⎜ + 4λ<br />
⎟ j+<br />
⎜ + 2λ<br />
⎟ k<br />
⎝ 69 ⎠ ⎝ 69 ⎠ ⎝ 69 ⎠<br />
On déduit Y → facilement par :<br />
→ → → → → →<br />
38<br />
→<br />
2<br />
→<br />
137<br />
→<br />
⎛<br />
⎞ ⎛ − ⎞ ⎛ − ⎞ ⎛ ⎞<br />
Y = V1<br />
− X = ⎜7<br />
i + 4 i + 2 i ⎟ − ⎜ + 7λ<br />
⎟ i − ⎜ + 4λ<br />
⎟ j−<br />
⎜ + 2λ<br />
⎟ k<br />
⎝<br />
⎠ ⎝ 69 ⎠ ⎝ 69 ⎠ ⎝ 69 ⎠<br />
→<br />
38 →<br />
2<br />
→<br />
⎛<br />
⎞ ⎛<br />
⎞ ⎛ −137<br />
⎞<br />
Y = ⎜ + 7(1 − λ ) ⎟ i + ⎜ + 4(1 − λ)<br />
⎟ j+<br />
⎜ + 2(1 − λ)<br />
⎟<br />
→<br />
k<br />
⎝ 69 ⎠ ⎝ 69 ⎠ ⎝ 69 ⎠<br />
Exercice 14 :<br />
Dans un repère orthonormé<br />
→ → →<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
on donne trois points A, B, C de l’espace ayant pour<br />
coordonnées : A (1,3,4) , B ( −1,4,<br />
−2)<br />
, C (0,1,1 ) . Soit (π ) un plan défini par ces trois points et<br />
la normale<br />
→<br />
n<br />
à celui-ci.<br />
Déterminer les composantes du vecteur<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V = 3 i + j−<br />
4 k dans le plan (π ) et suivant la<br />
normale à ce plan.<br />
Solution :<br />
→<br />
Le vecteur V s’écrirait :<br />
→ → →<br />
V = Vn<br />
+ Vπ<br />
Où<br />
→<br />
→<br />
V<br />
n<br />
⊥ (π ) et V ∈ (π π<br />
)<br />
Le vecteur unitaire<br />
→<br />
n<br />
est perpendiculaire au plan et aussi aux vecteurs<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
AB , AC,<br />
BC<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
Alors : n • AB = 0 , n • AC = 0 , n • BC = 0<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
Nous avons : AB = −2<br />
i + j−<br />
6 k , AC = − i − 2 j−<br />
3k<br />
,<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
BC = i − 3 j+<br />
3k<br />
Soit<br />
⎛−<br />
2⎞<br />
⎛ −1⎞<br />
⎛−15⎞<br />
−→ −→ −→ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ → →<br />
W = AB∧<br />
AC = ⎜ 1 ⎟ ∧ ⎜−<br />
2⎟<br />
= ⎜ 0 ⎟ = −15<br />
i + 5 k<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝−<br />
6⎠<br />
⎝ − 3⎠<br />
⎝ 5 ⎠<br />
−→<br />
Le vecteur W est perpendiculaire au deux vecteurs AB et AC donc aussi au vecteur BC ,<br />
alors il est perpendiculaire au plan (π ) formé par ces trois vecteurs. On déduit le vecteur<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
unitaire normal au plan (π ) par :<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
W +<br />
n =<br />
W<br />
→<br />
−15<br />
i 5 k<br />
=<br />
106<br />
42
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
On peut vérifier facilement :<br />
→ →<br />
→ −→<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ −15<br />
i + 5 k<br />
→ →<br />
⎟ ⎛<br />
n • AB =<br />
• ⎜−<br />
2 +<br />
⎜<br />
106<br />
⎟<br />
i<br />
⎝<br />
⎝ ⎠<br />
→⎞<br />
j−<br />
6 k ⎟ = 30 − 30 = 0<br />
⎠<br />
→ →<br />
→ −→<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ −15<br />
i + 5 k<br />
→ → →<br />
⎟ ⎛<br />
⎞<br />
n • AC =<br />
• ⎜−<br />
− 2 − 3 ⎟ = 15 −15<br />
= 0<br />
⎜<br />
106<br />
⎟<br />
i j k<br />
⎝<br />
⎠<br />
⎝ ⎠<br />
→ →<br />
→ −→<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ −15<br />
i + 5 k<br />
→ → →<br />
⎟ ⎛ ⎞<br />
n • BC =<br />
• ⎜ − 3 + 3 ⎟ = −15<br />
+ 15 = 0<br />
⎜<br />
106<br />
⎟<br />
i j k<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
La composante, du vecteur, suivant la normale au plan s’écrirait :<br />
→ → → → → → →<br />
→ → →<br />
→<br />
⎛ ⎞ ⎛⎛<br />
⎞ 1 ⎛ ⎞⎞<br />
65<br />
V n<br />
= ⎜V<br />
• n ⎟ n = ⎜⎜3<br />
i + j−<br />
4 k ⎟ • ⎜−15<br />
i + 5 k ⎟⎟<br />
n = − n<br />
⎝ ⎠ ⎝⎝<br />
⎠ 106 ⎝ ⎠⎠<br />
106<br />
→ →<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
65<br />
→<br />
65 ⎜ −15<br />
i + 5 k ⎟ 1<br />
→ →<br />
⎛<br />
⎞<br />
V n<br />
= − n = −<br />
⎜ ⎟<br />
= ⎜975<br />
i − 325 k ⎟<br />
106 106 106 106 ⎝<br />
⎠<br />
⎝ ⎠<br />
La composante dans le plan (π ) se déduit par :<br />
→ → → → → →<br />
⎛ ⎞ 1<br />
→ →<br />
⎛<br />
⎞ 1<br />
→ → →<br />
⎛<br />
⎞<br />
Vπ<br />
= V −Vn = ⎜3<br />
i + j−<br />
4 k ⎟ − ⎜975<br />
i − 325 k ⎟ = ⎜−<br />
657 i + j−<br />
99 k ⎟<br />
⎝ ⎠ 106 ⎝<br />
⎠ 106 ⎝<br />
⎠<br />
Exercice 15 :<br />
Déterminer l’expression générale des vecteurs W orthogonaux aux vecteurs :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V = − i + 2 j+<br />
3k<br />
1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
et V = i + 3 j−<br />
5 k . En déduire les vecteurs unitaires porté par W .<br />
2<br />
→<br />
Exercice 16 :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Soient trois vecteurs libres U , V , W ; montrer qu’il vérifient la relation suivante :<br />
→ → → → → → → → → →<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
U ∧ ⎜ V ∧W<br />
⎟ + W ∧ ⎜ U ∧ V ⎟ + V ∧ ⎜ W ∧ U ⎟ = 0<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
Solution :<br />
On utilise la formule de développement du double produit vectoriel.<br />
→ → →<br />
⎛<br />
U ∧ ⎜ V ∧W<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
= V<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
→ → →<br />
⎞<br />
U • W ⎟ −W<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
→<br />
U<br />
→<br />
⎞<br />
• V ⎟<br />
⎠<br />
43
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ → → →<br />
⎛ ⎞<br />
W ∧ ⎜ U ∧V<br />
⎟ = U<br />
⎝ ⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
→ → →<br />
⎞<br />
W • V ⎟ −V<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
→<br />
W ∧<br />
→<br />
U<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
→ → → →<br />
⎛ ⎞<br />
V ∧ ⎜ W ∧U<br />
⎟ = W<br />
⎝ ⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
→ → →<br />
⎞<br />
V • U ⎟ −U<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
La somme des trois termes donne :<br />
→<br />
V<br />
→<br />
V<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
→ → →<br />
⎞<br />
U•<br />
W ⎟ −W<br />
⎠<br />
→ → →<br />
⎞<br />
U•<br />
W ⎟ −V<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
→ → →<br />
⎞<br />
U•<br />
V ⎟ + U<br />
⎠<br />
→ → →<br />
⎞<br />
W • U ⎟ −W<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
→<br />
→<br />
V<br />
→<br />
⎞<br />
• W ⎟<br />
⎠<br />
→ → →<br />
⎞<br />
W • V ⎟ −V<br />
⎠<br />
U<br />
→<br />
⎞<br />
• V ⎟ +<br />
⎠<br />
Comme le produit scalaire est commutatif alors :<br />
→<br />
W<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
→ → →<br />
⎞<br />
W • U ⎟ + W<br />
⎠<br />
→ → →<br />
⎞<br />
V • U ⎟ + U<br />
⎠<br />
→ → → → → → → → → → → → →<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
⎜V<br />
−V<br />
⎟ ⎜ W • U ⎟ + ⎜W<br />
−W<br />
⎟ ⎜ V • U ⎟ + ⎜U<br />
−U<br />
⎟ ⎜ V • W ⎟ = 0<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
Exercice 17 :<br />
→<br />
F 1<br />
→<br />
F 2<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
→ → →<br />
⎞<br />
V • U ⎟ −U<br />
⎠<br />
→ → →<br />
⎞<br />
W • V ⎟ −U<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
→<br />
V<br />
→<br />
V<br />
→<br />
⎞<br />
• W ⎟<br />
⎠<br />
=<br />
→ →<br />
⎞<br />
• W ⎟ = 0<br />
⎠<br />
Soient deux forces et faisant chacune respectivement un angle de 25° et 35° avec<br />
la résultante<br />
Solution :<br />
→<br />
R qui a une valeur de 400 N . Déterminer les modules des deux forces.<br />
Utilisons la règle des sinus :<br />
BC AB AC<br />
= =<br />
sin 25°<br />
sin 35°<br />
sinα<br />
α = 180° − (25° + 35°<br />
) = 120°<br />
or nous avons : AB = F 1<br />
, BC = F2<br />
et<br />
AC = R<br />
A<br />
→<br />
F 2<br />
35°<br />
25°<br />
→<br />
F 1<br />
→<br />
R<br />
α<br />
B<br />
35 °<br />
C<br />
D’où :<br />
sin 25°<br />
sin 35°<br />
F2 = R = 195N<br />
et F1 = R = 265N<br />
sin120°<br />
sin120°<br />
Exercice 18 :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
2 3<br />
3<br />
2<br />
Soit P = 2t<br />
i + 5t<br />
j−<br />
7t<br />
k , Q = −4t i + 10t<br />
j−<br />
2t<br />
k<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
1) Vérifier les relations suivantes :<br />
d<br />
dt<br />
→ →<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ P•<br />
Q⎟<br />
=<br />
⎝ ⎠<br />
→<br />
→<br />
• Q<br />
d P<br />
dt<br />
+<br />
→<br />
→<br />
d Q<br />
P•<br />
dt<br />
d<br />
dt<br />
→ →<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ P∧<br />
Q⎟<br />
=<br />
⎝ ⎠<br />
→<br />
d P<br />
→<br />
∧ Q<br />
dt<br />
+<br />
→<br />
→<br />
d Q<br />
P∧<br />
dt<br />
44
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ ⎛ →<br />
⎜<br />
→ ⎞<br />
⎟<br />
2) Calculer les produits suivants : P•<br />
⎜ P∧ Q ⎟ et<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
P∧<br />
⎛ →<br />
⎜<br />
⎜ P<br />
⎜<br />
⎝<br />
∧<br />
→ ⎞<br />
⎟<br />
Q ⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
Soit un vecteur U<br />
perpendiculaire à<br />
→<br />
→<br />
→<br />
2<br />
= α i + t j−<br />
k ; quelle est la valeur de α pour que le vecteur U soit<br />
→<br />
P .<br />
→<br />
3) Déterminer le volume du parallélépipède formé par les vecteurs<br />
→<br />
→<br />
→<br />
U , P,<br />
Q ;<br />
→<br />
4) Déterminer la composante de Q sur l’axe<br />
Δ passant par les points A(0,0,1) et B(1,2,1)<br />
Exercice 19 :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Soit f un scalaire et A , B,<br />
C trois vecteurs quelconques, vérifier les relations suivantes :<br />
1)<br />
→<br />
→ → −−−→<br />
= fdiv A+<br />
A • gradf<br />
div ( f A)<br />
;<br />
2)<br />
→<br />
rot ( f<br />
→<br />
−−−→<br />
→<br />
→<br />
A)<br />
= gradf ∧ A+<br />
f rot A<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
3) A∧<br />
B∧<br />
C = B(<br />
A • C)<br />
− C(<br />
A • B)<br />
;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
4)<br />
−→<br />
−−→<br />
−−−→<br />
rot ( rotA)<br />
= grad(<br />
div A)<br />
− Δ A ;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−−→<br />
→<br />
5) rot(<br />
gradf ) = 0 ;<br />
6)<br />
7)<br />
→<br />
→<br />
→<br />
div( rot A) = 0<br />
→<br />
→<br />
div ( A∧<br />
B)<br />
=<br />
→ −−→<br />
B • rotA<br />
→<br />
−−→<br />
− ArotB<br />
Solution :<br />
→<br />
∂ ∂ ∂<br />
1) div( f A)<br />
= ( fAx<br />
) + ( fAy<br />
) + ( fAz<br />
)<br />
∂x<br />
∂y<br />
∂z<br />
=<br />
⎛ ∂Ax<br />
f<br />
⎜<br />
⎝ ∂x<br />
∂Ay<br />
+<br />
∂y<br />
∂A<br />
⎞<br />
z<br />
+ + Ax<br />
z<br />
⎟<br />
∂ ⎠<br />
∂f<br />
+ A<br />
∂x<br />
y<br />
∂f<br />
+ A<br />
∂y<br />
z<br />
∂f<br />
∂z<br />
=<br />
fdiv<br />
→ → −−−→<br />
A + A • gradf<br />
2)<br />
→<br />
rot(<br />
f<br />
⎛ ∂ ⎞ ⎛ fA ⎞ ⎛ ∂fA<br />
x<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎜ ∂x<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ∂y<br />
→<br />
⎜ ∂ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ∂fA<br />
A)<br />
= ∧ fA =<br />
⎜ ⎟<br />
y<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
∂y<br />
⎜ ∂z<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎜<br />
∂<br />
⎜<br />
∂<br />
fA<br />
⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ ∂z<br />
⎠ ⎝ fAz<br />
⎠ ⎜<br />
⎝ ∂x<br />
z<br />
x<br />
y<br />
∂fAy<br />
⎞ ⎛<br />
− ⎟ ⎜ f<br />
∂z<br />
⎟ ⎜<br />
∂fA<br />
⎟ ⎜<br />
z<br />
− ⎟ = ⎜ f<br />
∂x<br />
⎟ ⎜<br />
∂fAx<br />
− ⎟ ⎜<br />
∂ ⎟ ⎜<br />
f<br />
y ⎠ ⎝<br />
∂Az<br />
∂y<br />
∂Ax<br />
∂z<br />
∂A<br />
y<br />
∂x<br />
+ A<br />
+ A<br />
+ A<br />
z<br />
x<br />
y<br />
∂f<br />
− f<br />
∂y<br />
∂f<br />
− f<br />
∂z<br />
∂f<br />
− f<br />
∂x<br />
∂A<br />
y<br />
∂z<br />
∂Az<br />
∂x<br />
∂A<br />
x<br />
∂y<br />
− A<br />
y<br />
− A<br />
z<br />
− A<br />
x<br />
∂f<br />
⎞<br />
⎟<br />
∂z<br />
⎟<br />
∂f<br />
⎟<br />
⎟<br />
∂z<br />
⎟<br />
∂f<br />
⎟<br />
∂y<br />
⎟<br />
⎠<br />
45
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
46<br />
A.KADI<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
y<br />
f<br />
A<br />
x<br />
f<br />
A<br />
y<br />
A<br />
x<br />
A<br />
f<br />
z<br />
f<br />
A<br />
z<br />
f<br />
A<br />
x<br />
A<br />
z<br />
A<br />
f<br />
z<br />
f<br />
A<br />
y<br />
f<br />
A<br />
z<br />
A<br />
y<br />
A<br />
f<br />
x<br />
y<br />
x<br />
y<br />
z<br />
x<br />
z<br />
x<br />
y<br />
z<br />
y<br />
z<br />
=<br />
→<br />
→<br />
−−−→<br />
+<br />
∧<br />
A<br />
rot<br />
f<br />
A<br />
gradf<br />
3)<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
−<br />
−<br />
−<br />
∧<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∧<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∧<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
=<br />
∧<br />
∧<br />
→<br />
→<br />
→<br />
x<br />
y<br />
y<br />
x<br />
z<br />
x<br />
x<br />
z<br />
y<br />
z<br />
z<br />
y<br />
z<br />
y<br />
x<br />
z<br />
y<br />
x<br />
z<br />
y<br />
x<br />
z<br />
y<br />
x<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
A<br />
A<br />
A<br />
C<br />
C<br />
C<br />
B<br />
B<br />
B<br />
A<br />
A<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
( ) ( )<br />
( ) (<br />
( ) ( ) ⎟⎟⎟ ⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
−<br />
−<br />
−<br />
−<br />
−<br />
−<br />
−<br />
−<br />
−<br />
=<br />
y<br />
z<br />
z<br />
y<br />
y<br />
z<br />
x<br />
x<br />
z<br />
x<br />
x<br />
y<br />
y<br />
x<br />
x<br />
y<br />
z<br />
z<br />
y<br />
z<br />
z<br />
x<br />
x<br />
z<br />
z<br />
x<br />
y<br />
y<br />
x<br />
y<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
C<br />
B<br />
A<br />
)<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
−<br />
+<br />
+<br />
−<br />
−<br />
−<br />
+<br />
+<br />
−<br />
−<br />
−<br />
+<br />
+<br />
−<br />
−<br />
=<br />
z<br />
z<br />
z<br />
z<br />
z<br />
z<br />
y<br />
z<br />
y<br />
z<br />
y<br />
y<br />
z<br />
x<br />
x<br />
x<br />
z<br />
x<br />
y<br />
y<br />
y<br />
y<br />
y<br />
y<br />
x<br />
y<br />
x<br />
y<br />
x<br />
x<br />
z<br />
x<br />
z<br />
x<br />
z<br />
z<br />
x<br />
x<br />
x<br />
x<br />
x<br />
x<br />
z<br />
x<br />
z<br />
x<br />
z<br />
z<br />
x<br />
y<br />
y<br />
y<br />
x<br />
y<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
C<br />
B<br />
A<br />
( ) ( )<br />
( ) (<br />
( ) ( ⎟ ⎟⎟ ⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
+<br />
−<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
−<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
−<br />
+<br />
+<br />
=<br />
z<br />
z<br />
y<br />
y<br />
x<br />
x<br />
z<br />
z<br />
z<br />
y<br />
y<br />
x<br />
x<br />
z<br />
z<br />
z<br />
y<br />
y<br />
x<br />
x<br />
y<br />
z<br />
z<br />
y<br />
y<br />
x<br />
x<br />
y<br />
z<br />
z<br />
y<br />
y<br />
x<br />
x<br />
x<br />
z<br />
z<br />
y<br />
y<br />
x<br />
x<br />
x<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
C<br />
A C<br />
C<br />
A<br />
C<br />
A<br />
B<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
C<br />
A C<br />
C<br />
A<br />
C<br />
A<br />
B<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
C<br />
A C<br />
C<br />
A<br />
C<br />
A<br />
B<br />
)<br />
)<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
→<br />
•<br />
→<br />
→<br />
→<br />
•<br />
→<br />
→<br />
−<br />
= B<br />
A<br />
C<br />
C<br />
A<br />
B<br />
4)<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∧<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
−−→<br />
→<br />
z<br />
A<br />
y<br />
A<br />
y<br />
x<br />
A<br />
z<br />
A<br />
x<br />
y<br />
A<br />
x<br />
A<br />
x<br />
z<br />
A<br />
y<br />
A<br />
z<br />
x<br />
A<br />
z<br />
A<br />
z<br />
y<br />
A<br />
x<br />
A<br />
y<br />
y<br />
A<br />
x<br />
A<br />
x<br />
A<br />
z<br />
A<br />
z<br />
A<br />
y<br />
A<br />
z<br />
y<br />
x<br />
rotA<br />
rot<br />
y<br />
z<br />
z<br />
x<br />
x<br />
y<br />
y<br />
z<br />
z<br />
x<br />
x<br />
y<br />
x<br />
y<br />
z<br />
x<br />
y<br />
z<br />
)<br />
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→<br />
→<br />
−−−→<br />
− Δ<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
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⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
= A<br />
A<br />
div<br />
grad<br />
A<br />
z<br />
y<br />
x<br />
z<br />
A<br />
y<br />
A<br />
x<br />
A<br />
z<br />
A<br />
z<br />
y<br />
x<br />
z<br />
A<br />
y<br />
A<br />
x<br />
A<br />
y<br />
A<br />
z<br />
y<br />
x<br />
z<br />
A<br />
y<br />
A<br />
x<br />
A<br />
x<br />
z<br />
z<br />
y<br />
x<br />
y<br />
z<br />
y<br />
x<br />
x<br />
z<br />
y<br />
x<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
47<br />
A.KADI<br />
5)<br />
→<br />
−−−→<br />
−−→<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
⎟ −<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂ ∂ ∂<br />
∧<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
= 0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
y<br />
x<br />
f<br />
y<br />
x<br />
f<br />
x<br />
z<br />
f<br />
x<br />
z<br />
f<br />
z<br />
y<br />
f<br />
z<br />
y<br />
f<br />
x<br />
f<br />
y<br />
y<br />
f<br />
x<br />
z<br />
f<br />
x<br />
x<br />
f<br />
z<br />
y<br />
f<br />
z<br />
z<br />
f<br />
y<br />
z<br />
f<br />
y<br />
f x f<br />
z<br />
y<br />
x<br />
f<br />
grad<br />
rot<br />
D’une autre manière :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−−→<br />
−−→<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∇∧ ∇<br />
=<br />
∇∧ ∇<br />
= 0<br />
)<br />
( f<br />
f<br />
f<br />
grad<br />
rot<br />
6)<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
∇∧<br />
∇<br />
= •<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
→<br />
→<br />
•<br />
→<br />
→<br />
→<br />
y<br />
A<br />
x<br />
A<br />
x<br />
A<br />
z<br />
A<br />
z<br />
A<br />
y<br />
A<br />
z<br />
y<br />
x<br />
A<br />
A<br />
rot<br />
div(<br />
x<br />
y<br />
z<br />
x<br />
y<br />
z<br />
)<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
y<br />
A<br />
x<br />
A<br />
z<br />
x<br />
A<br />
z<br />
A<br />
y<br />
z<br />
A<br />
y<br />
A<br />
x<br />
x<br />
y<br />
z<br />
x<br />
y<br />
z<br />
0<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
=<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
y<br />
z<br />
A<br />
x<br />
z<br />
A<br />
x<br />
y<br />
A<br />
z<br />
y<br />
A<br />
z<br />
x<br />
A<br />
y<br />
x<br />
A<br />
x<br />
y<br />
z<br />
x<br />
y<br />
z<br />
D’une autre manière :<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
→<br />
→<br />
•<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∇∧<br />
∇<br />
= A<br />
A<br />
rot<br />
div( ) soit les vecteurs sont perpendiculaires au<br />
vecteur résultat<br />
→<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
→<br />
→<br />
=<br />
∧<br />
∇<br />
B<br />
A<br />
→<br />
→<br />
∇<br />
A<br />
et<br />
→<br />
B . Nous avons alors :<br />
→<br />
•<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∇<br />
= B<br />
A<br />
rot<br />
div( )<br />
Comme d’où :<br />
→<br />
→<br />
⊥<br />
∇ B ⇒ 0<br />
=<br />
∇<br />
→<br />
•<br />
→<br />
B 0<br />
) =<br />
→<br />
→<br />
A<br />
rot<br />
div(<br />
7)<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
−<br />
−<br />
−<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∧<br />
•<br />
→<br />
→<br />
x<br />
y<br />
y<br />
x<br />
z<br />
x<br />
x<br />
z<br />
y<br />
z<br />
z<br />
y<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
z<br />
y<br />
x<br />
B<br />
A<br />
div<br />
( ) ( ) ( )<br />
x<br />
y<br />
y<br />
x<br />
z<br />
x<br />
x<br />
z<br />
y<br />
z<br />
z<br />
y<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
z<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
y<br />
B<br />
A<br />
B<br />
A<br />
x<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
=
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
= B<br />
− A<br />
x<br />
x<br />
⎛ ∂Az<br />
⎜<br />
⎝ ∂y<br />
⎛ ∂Bz<br />
⎜<br />
⎝ ∂y<br />
∂Ay<br />
−<br />
∂z<br />
∂B<br />
y<br />
−<br />
∂z<br />
⎞<br />
⎟ + B<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎟ − A<br />
⎠<br />
y<br />
y<br />
⎛ ∂A<br />
⎜<br />
⎝ ∂z<br />
⎛ ∂B<br />
⎜<br />
⎝ ∂z<br />
x<br />
x<br />
∂Az<br />
−<br />
∂x<br />
∂Bz<br />
−<br />
∂x<br />
⎞<br />
⎟ + B<br />
⎠<br />
z<br />
⎛ ∂Ay<br />
⎜<br />
⎝ ∂x<br />
⎞ ⎛ ∂B<br />
⎟ − A<br />
⎜<br />
z<br />
⎠ ⎝ ∂x<br />
y<br />
∂Ax<br />
−<br />
∂y<br />
∂Bx<br />
−<br />
∂y<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
→<br />
div ( A∧<br />
B)<br />
=<br />
→ −−→<br />
B • rotA<br />
→<br />
−−→<br />
− ArotB<br />
Exercice 20 :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Soit un vecteur r = x i + y j+<br />
z k exprimé dans un repère orthonormé R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−−→<br />
()<br />
1) Calculer grad r et<br />
−−−→<br />
⎛ ⎞<br />
grad⎜<br />
1 ⎟ ;<br />
⎝ r ⎠<br />
2) Si U(r) est un champ scalaire à symétrie sphérique, montrer que grad − −−→<br />
( U (r))<br />
est un<br />
vecteur radial ;<br />
3) Calculer div( → r ) et en déduire que pour un champ électrique Coulombien :<br />
→<br />
→<br />
r<br />
E = k on a<br />
r<br />
→ →<br />
div E = 0<br />
;<br />
⎛ 1 ⎞<br />
4) Montrer que Δ⎜<br />
⎟ = 0 avec r ≠ 0 ;<br />
⎝ r ⎠<br />
5) Calculer −−→<br />
⎛ ⎞<br />
rot<br />
→<br />
⎜ r ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
Solution :<br />
1 −<br />
1<br />
1<br />
2 2 2 2 2 2<br />
1) Nous avons : r = x + y + z = ( x + y + z ) 2 2 2 2<br />
et = ( x + y + z ) 2<br />
−−−→<br />
→ → →<br />
1 →<br />
1<br />
∂r<br />
∂r<br />
∂r<br />
−<br />
−<br />
→<br />
2 2 2<br />
() r i + j+<br />
k = x( x + y + z ) 2<br />
2 2 2<br />
i + y( x + y + z ) 2<br />
2 2 2<br />
j+<br />
z( x + y + z )<br />
grad = 2 k<br />
∂x<br />
∂y<br />
∂z<br />
r<br />
1<br />
−<br />
→<br />
=<br />
→<br />
→<br />
→<br />
x i + y j+<br />
z k<br />
=<br />
→<br />
2 2 2 r<br />
( x + y + z ) 1<br />
2<br />
r<br />
48
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
49<br />
A.KADI<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−−→<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
k<br />
r<br />
z<br />
j<br />
r<br />
y<br />
i<br />
r<br />
x<br />
r<br />
grad<br />
1<br />
1<br />
1<br />
1<br />
( ) ( ) ( )<br />
→<br />
−<br />
→<br />
−<br />
→<br />
−<br />
+<br />
+<br />
−<br />
+<br />
+<br />
−<br />
+<br />
+<br />
−<br />
= k<br />
z<br />
y<br />
x<br />
z<br />
j<br />
z<br />
y<br />
x<br />
y<br />
i<br />
z<br />
y<br />
x<br />
x 2<br />
3<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
3<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
3<br />
2<br />
2<br />
2<br />
( )<br />
3<br />
2<br />
3<br />
2<br />
2<br />
2 r<br />
r<br />
z<br />
y<br />
x<br />
k<br />
z<br />
j<br />
y<br />
i<br />
x<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= −<br />
+<br />
+<br />
+<br />
+<br />
−<br />
=<br />
2) ( )<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−−→<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
= k<br />
z<br />
r<br />
r<br />
r<br />
U<br />
j<br />
y<br />
r<br />
r<br />
r<br />
U<br />
i<br />
x<br />
r<br />
x<br />
r<br />
U<br />
k<br />
z<br />
r<br />
U<br />
j<br />
y<br />
r<br />
U<br />
i<br />
x<br />
r<br />
U<br />
r<br />
U<br />
grad<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
r<br />
r<br />
r<br />
r<br />
U<br />
k<br />
z<br />
r<br />
j<br />
y<br />
r<br />
i<br />
x<br />
r<br />
r<br />
r<br />
U<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
3) 3<br />
=<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
→<br />
→<br />
→<br />
•<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z<br />
z<br />
y<br />
y<br />
x<br />
x<br />
k<br />
z<br />
j<br />
y<br />
i<br />
x<br />
k<br />
z<br />
j<br />
y<br />
i<br />
x<br />
r<br />
div<br />
4)<br />
1<br />
.3<br />
1<br />
1<br />
1<br />
3<br />
3<br />
3 ⎟ ⎠ ⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛ −<br />
•<br />
+<br />
= −<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
−<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
Δ<br />
−−−→<br />
→<br />
→<br />
r<br />
grad<br />
r<br />
r<br />
r<br />
r<br />
div<br />
r<br />
grad<br />
div<br />
r<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛ −<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛ −<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛ −<br />
∂<br />
∂<br />
+<br />
= −<br />
→<br />
→<br />
→<br />
•<br />
→<br />
k<br />
r<br />
z<br />
j<br />
r<br />
y<br />
i<br />
r<br />
x<br />
r<br />
r<br />
3<br />
3<br />
3<br />
3<br />
1<br />
1<br />
1<br />
.3<br />
1<br />
nous avons : 5<br />
6<br />
2<br />
3<br />
3<br />
3<br />
.<br />
3<br />
.<br />
1<br />
1<br />
r<br />
x<br />
r<br />
x<br />
r<br />
r<br />
x<br />
r<br />
r<br />
r<br />
r<br />
x<br />
=<br />
=<br />
∂<br />
∂<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛ −<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛ −<br />
∂<br />
∂<br />
de même pour y et z : 5<br />
3<br />
5<br />
3<br />
3<br />
1<br />
,<br />
3<br />
1<br />
r<br />
z<br />
r<br />
z<br />
r<br />
y<br />
r<br />
y<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛ −<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛ −<br />
∂<br />
∂<br />
alors, nous obtenons :<br />
0<br />
3<br />
3<br />
3<br />
.3<br />
1<br />
3<br />
3<br />
3<br />
.3<br />
1<br />
1<br />
3<br />
3<br />
5<br />
3<br />
5<br />
5<br />
5<br />
3 =<br />
+<br />
= −<br />
+<br />
= −<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
+<br />
+<br />
= −<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
Δ<br />
→<br />
•<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
•<br />
→<br />
r<br />
r<br />
r<br />
r<br />
r<br />
r<br />
i<br />
r<br />
z<br />
i<br />
r<br />
y<br />
i<br />
r<br />
x<br />
r<br />
r<br />
r<br />
5)<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
−<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∧<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
∂<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
y<br />
x<br />
x<br />
y<br />
x<br />
z<br />
z<br />
x<br />
z<br />
y<br />
y<br />
z<br />
z<br />
y<br />
x<br />
z<br />
y<br />
x<br />
r<br />
rot<br />
Car x , y , z : sont des variables indépendantes
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CHAPITRE II<br />
LES TORSEURS<br />
51
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
LES TORSEURS<br />
Les torseurs sont des outils mathématiques très utilisés en mécanique. L’utilisation des<br />
torseurs dans l’étude des systèmes mécaniques complexes est très commode car elle facilite<br />
l’écriture des équations vectorielles. Une équation vectorielle représente trois équations<br />
scalaires et une équation torsorielle est équivalente à deux équations vectorielles donc à six<br />
équations scalaires. Nous verrons dans les prochains chapitres quatre types de torseurs<br />
différents : le torseur cinématique, le torseur cinétique, le torseur dynamique et le torseur des<br />
actions.<br />
1. Moment d’un vecteur par rapport à un point<br />
Le moment<br />
−→<br />
M A<br />
→<br />
d’un vecteur V d’origine B ( glissant ou lié) par rapport à un point A est<br />
égal au produit vectoriel du vecteur<br />
− →<br />
position AB par le vecteur V .<br />
Il s’écrit :<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
M A<br />
( V ) = AB∧V<br />
Le trièdre formé respectivement par les<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
M A<br />
vecteurs ( AB , V , ) est direct.<br />
→<br />
M −→<br />
A<br />
( V<br />
→ )<br />
A<br />
(Δ)<br />
B<br />
→<br />
V<br />
Remarque :<br />
Le moment au point A est indépendant<br />
M −→<br />
A<br />
( V<br />
→ )<br />
de la position du vecteur V sur l’axe<br />
(Δ) . En effet nous avons :<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
M A<br />
( V ) = AC∧V<br />
= ( AB+<br />
BC)<br />
∧V<br />
→<br />
A<br />
(Δ)<br />
B<br />
→<br />
V<br />
C<br />
Or nous avons :<br />
−→<br />
BC //<br />
→<br />
V<br />
⇒<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
BC) ∧V<br />
= 0<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
M A<br />
( V ) = AC∧V<br />
= ( AB+<br />
BC)<br />
∧V<br />
= AB∧V<br />
→<br />
52
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
M −→<br />
A<br />
Le moment ( V<br />
→ ) est perpendiculaire au plan formé par les vecteurs AB et V .<br />
La distance AB est souvent appelée bras de levier.<br />
2. Moment d’un vecteur par rapport à un axe<br />
−→<br />
→<br />
Le moment<br />
−→<br />
Δ<br />
V<br />
M<br />
→<br />
( → ) d’un vecteur V par rapport à un axe<br />
(Δ)<br />
défini par un point A et un<br />
→<br />
vecteur unitaire u , est égal à la projection du moment M ( → A<br />
V ) sur l’axe ( Δ)<br />
.<br />
−→ → −→<br />
M<br />
Δ<br />
( V ) ⎜ M<br />
A<br />
3. Les torseurs<br />
3.1. Définition<br />
→ → →<br />
⎛ ⎞<br />
= ( V ) • u ⎟ u<br />
⎝ ⎠<br />
Le moment par rapport à l’axe<br />
indépendant du point A.<br />
Un torseur que nous noterons [ T ] est défini comme étant un ensemble de deux champs de<br />
vecteurs définis dans l’espace géométrique et ayant les propriétés suivantes :<br />
a) Le premier champ de vecteurs fait correspondre à tout point A de l’espace un vecteur R<br />
→<br />
indépendant du point A et appelé résultante du torseur [ T ] ;<br />
b) Le second champ de vecteur fait correspondre à tout point A de l’espace un vecteur<br />
−→<br />
qui dépend du point A. Le vecteur M est appelé moment au point A du torseur [ T ].<br />
3.2. Notation<br />
Δ<br />
est<br />
A<br />
−→<br />
M −→<br />
A<br />
( V<br />
→ )<br />
A<br />
(Δ)<br />
−→<br />
Δ<br />
V<br />
M<br />
( → )<br />
B<br />
→<br />
V<br />
−→<br />
M A<br />
La résultante → R et le moment résultant<br />
réduction du torseur au point A.<br />
−→<br />
M A<br />
au point A , constituent les éléments de<br />
Soit<br />
→<br />
→ → →<br />
1, 2 3<br />
R la résultante des n vecteurs glissants : V V , V ,..............<br />
appliqués<br />
→<br />
V n<br />
respectivement aux points :<br />
B B , B ,...............<br />
1, 2 3<br />
B n<br />
. Nous pouvons définir à partir de ce<br />
système de vecteurs deux grandeurs :<br />
→ n →<br />
= ∑V i<br />
i=<br />
1<br />
- La résultante des n vecteurs : R ;<br />
- Le moment résultant en un point A de l’espace est donné par : M<br />
A<br />
= ∑ ABi<br />
∧Vi<br />
−→<br />
n<br />
i=<br />
1<br />
−→<br />
→<br />
53
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Les deux grandeurs constituent le torseur développé au point A associé au système de<br />
vecteurs donnés. On adopte la notation suivante : [ T ]<br />
A<br />
→<br />
⎪⎧<br />
R<br />
⎨ −<br />
⎪⎩ M<br />
= →<br />
A<br />
Remarque : Un torseur n’est pas égal à un couple de vecteur, mais il est représenté au point<br />
A par ses éléments de réduction.<br />
4. Propriétés des vecteurs moments<br />
4.1. Formule de transport des moments<br />
⎧<br />
⎪<br />
R = ∑Vi<br />
i<br />
Connaissant le Torseur [ T ]<br />
A<br />
= ⎨<br />
en un point A de l’espace nous pouvons<br />
−→ n −→ →<br />
⎪M<br />
A<br />
= ∑ ABi<br />
∧Vi<br />
⎪⎩<br />
→<br />
i=<br />
1<br />
→<br />
déterminer les éléments de réduction de ce même torseur en un autre point C de l’espace.<br />
Le moment au point C s’exprime en fonction du moment au point A , de la résultante → R et<br />
−→<br />
du vecteur CA . Nous avons en effet :<br />
−→<br />
M<br />
C<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
−→<br />
→<br />
CB ∧V<br />
i<br />
i<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
( CA+<br />
AB ) ∧V<br />
i<br />
i<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
−→<br />
→<br />
CA∧V<br />
i<br />
+<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
−→<br />
→<br />
AB ∧V<br />
i<br />
i<br />
−→<br />
= CA∧<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
→<br />
V<br />
i<br />
+<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
−→<br />
→<br />
AB ∧V<br />
i<br />
i<br />
−→<br />
M<br />
C<br />
−→ → −→<br />
= CA∧<br />
R + M<br />
A<br />
−→<br />
M<br />
C<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
= M + CA∧<br />
R<br />
A<br />
Cette relation très importante en mécanique permet de déterminer le moment en un point C en<br />
connaissant le moment au point A.<br />
4.2. Equiprojectivité des vecteurs moments<br />
Les vecteurs moments<br />
−→<br />
M A<br />
au point A et<br />
−→<br />
M C<br />
au point C ont la même projection sur la droite AC :<br />
On dit que le champ des vecteurs moments,<br />
est équiprojectif.<br />
−→<br />
M<br />
C<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
= M + CA∧<br />
R<br />
A<br />
→<br />
R<br />
A<br />
−→<br />
M A<br />
−→ −→<br />
M A<br />
• AC<br />
→<br />
R<br />
C<br />
−→<br />
M C<br />
−→ −→<br />
M C<br />
• AC<br />
54
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
La projection du vecteur moment sur l’axe CA revient à faire le produit scalaire avec le<br />
−→<br />
vecteur CA à un facteur multiplicatif près. Nous avons par la formule de transport :<br />
−→<br />
M<br />
C<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
= M + CA∧<br />
R<br />
A<br />
−→<br />
Multiplions cette relation scalairement par le vecteur CA .<br />
−→ −→<br />
• M C<br />
CA<br />
−→ ⎛ −→<br />
⎜<br />
⎜<br />
A<br />
⎝<br />
−→<br />
→ ⎞<br />
⎟<br />
= CA•<br />
⎜M<br />
+ CA∧<br />
R ⎟ = CA•<br />
M + CA•<br />
( CA∧<br />
R )<br />
⎟<br />
⎠<br />
−→<br />
−→<br />
A<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
or CA∧ R est un vecteur perpendiculaire à CA alors : CA•<br />
( CA R ) = 0<br />
on obtient finalement :<br />
−→ −→<br />
• M<br />
C<br />
−→ −→<br />
= CA • M<br />
A<br />
−→<br />
CA ou<br />
−→<br />
−→ ∧ →<br />
−→ −→ −→ −→<br />
C<br />
• CA = M<br />
A<br />
• CA<br />
M<br />
Le produit scalaire est commutatif.<br />
Cette expression exprime que les projections des vecteurs moments<br />
CA sont égales.<br />
−→<br />
M<br />
et<br />
−→<br />
C<br />
M A<br />
sur la droite<br />
5. Opérations vectorielles sur les torseurs<br />
5.1. Egalité de deux torseurs<br />
Deux torseurs sont égaux (équivalents), si et seulement si, il existe un point de l’espace en<br />
lequel les éléments de réduction sont respectivement égaux entre eux. Soient deux torseurs<br />
[ T<br />
1]<br />
et [<br />
2<br />
] tel que : T1 = T2<br />
égaux au point P, cette égalité se traduit par deux égalités<br />
T [ ] P<br />
[ ] P<br />
vectorielles : [ ]<br />
[ T ] P<br />
T P 2<br />
1<br />
= ⇔<br />
→ →<br />
⎧<br />
⎪R1<br />
= R2<br />
⎨ −→<br />
⎪⎩ M<br />
1 P<br />
= M<br />
−→<br />
2P<br />
5.2. Somme de deux torseurs<br />
La somme de deux torseurs<br />
[ ]<br />
1<br />
T et [ ]<br />
T est un torseur [ ]<br />
2<br />
T dont les éléments de réduction<br />
→<br />
R et<br />
−→<br />
M P<br />
sont respectivement la somme des éléments de réduction des deux torseurs.<br />
[ T ] P<br />
= [ T1 ] P<br />
+ [ T2<br />
] P<br />
⇔ [ T ]<br />
P<br />
→ → →<br />
⎧<br />
⎪R<br />
= R1<br />
+ R2<br />
⎨−→<br />
−→ −<br />
⎪⎩ M<br />
P<br />
= M<br />
1P<br />
+ M<br />
=<br />
→<br />
2P<br />
55
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
5.3. Multiplication d’un torseur par un scalaire<br />
→ →<br />
⎧<br />
⎪R<br />
= λ R<br />
1<br />
Si [ T ] P<br />
= λ [ T1<br />
] P<br />
⇔ [ T ]<br />
P<br />
= ⎨ −→ −→<br />
avec<br />
⎪⎩ M<br />
P<br />
= λ M<br />
1P<br />
λ ∈ IR<br />
5.4. Torseur nul<br />
Le torseur nul, noté [ 0 ] est l’élément neutre pour l’addition de deux torseurs. Ses éléments<br />
de réduction sont nuls en tout point de l’espace.<br />
[] 0<br />
→ →<br />
⎪<br />
⎧<br />
R = 0<br />
⎨−→<br />
⎪⎩ M<br />
P<br />
= 0<br />
= →<br />
∀P<br />
∈ IR<br />
3<br />
6. Invariants du torseur<br />
6.1 Définition<br />
On appelle invariant d’un torseur [ ] toute grandeur indépendante du point de l’espace où<br />
elle est calculée.<br />
T<br />
P<br />
6.2 Invariant vectorielle d’un torseur<br />
La résultante → R est un vecteur libre, indépendant du centre de réduction du torseur, elle<br />
constitue l’invariant vectorielle du torseur [ T ] P<br />
6.3 Invariant scalaire d’un torseur ou automoment<br />
L’invariant scalaire d’un torseur donné, est par définition le produit scalaire des éléments de<br />
réductions en un point quelconque de ce torseur.<br />
Le produit scalaire<br />
→ −→<br />
R • M A<br />
est indépendant du point A. Nous avons vu précédemment la<br />
formule de transport :<br />
−→<br />
M<br />
C<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
= M + CA∧<br />
R<br />
A<br />
; en faisant le produit scalaire de cette relation<br />
par la résultante<br />
→<br />
R , on obtient :<br />
⎛<br />
⎝<br />
−→ → −→ −→ → →<br />
C<br />
• R = ⎜ M<br />
A<br />
+ CA∧<br />
R ⎟ • R ⇒<br />
M<br />
⎞<br />
⎠<br />
−→ → −→ → −→ → →<br />
C<br />
• R = M<br />
A<br />
• R + ⎜CA∧<br />
R ⎟ • R<br />
M<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎠<br />
−→ → −→ →<br />
C<br />
• R = M<br />
A<br />
• R<br />
M<br />
56
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
on voit bien que le produit scalaire, des deux éléments de réduction d’un torseur, est<br />
indépendant du point où est mesuré le moment.<br />
7. Axe central d’un torseur<br />
7.1. Définition<br />
Soit un torseur donné de résultante non nulle. L’axe central ( Δ ) est défini par l’ensemble des<br />
points P de l’espace tel que le moment du torseur en ce point, soit parallèle à la résultante.<br />
−→<br />
∀ P ∈Δ ⇒ M P<br />
= α R avec α ∈ IR<br />
L’axe central d’un torseur est parallèle à la droite support de la résultante du torseur :<br />
Démonstration :<br />
Soient P et P’ deux points de l’axe central, nous pouvons écrire :<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
M P<br />
= α R et M P<br />
= α ' R car les deux moments sont parallèles à<br />
'<br />
et nous avons aussi par la formule de transport :<br />
→<br />
R<br />
−→<br />
M<br />
P<br />
−→<br />
= M + PP'<br />
∧ R<br />
P'<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
α R = α ' R + PP'<br />
∧ R ⇒ ( α −α<br />
' ) R = PP'<br />
∧ R<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
Par définition le vecteur résultat de<br />
−→<br />
→<br />
PP' ∧ R est perpendiculaire à<br />
−→<br />
PP ' et R → ou nul.<br />
La seule possibilité ici est, qu’il soit nul, alors dans ce cas : α = α ' et PP'<br />
∧ R = 0<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
PP ' ∧ R = 0 ⇔ PP'<br />
// R : d’où l’axe central est parallèle à la résultante du torseur.<br />
Nous allons montrer aussi que l’axe central est le lieu des points ou le module du moment<br />
−→<br />
M du torseur est minimum.<br />
P<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
Soit P un point appartenant à l’axe central et soit A un point quelconque de l’espace<br />
n’appartenant pas à l’axe central. Nous pouvons écrire par la formule de transport :<br />
on déduit alors :<br />
−→<br />
M<br />
A<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
= M + AP∧<br />
R<br />
P<br />
−→<br />
2<br />
−→<br />
2<br />
−→ →<br />
2<br />
⎛ ⎞<br />
A<br />
M<br />
P<br />
+ ⎜ AP∧<br />
R⎟<br />
+ 2<br />
M<br />
−→ ⎛ −→<br />
⎜<br />
P<br />
• ⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
→ ⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
= M AP∧<br />
R<br />
⎝ ⎠<br />
or nous avons :<br />
−→<br />
M P<br />
→<br />
= α R<br />
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A.KADI<br />
−→<br />
M<br />
A<br />
2<br />
2<br />
−→<br />
−→ →<br />
→ ⎛ −→<br />
⎛ ⎞<br />
⎜<br />
= M<br />
P<br />
+ ⎜ AP∧<br />
R⎟<br />
+ 2α<br />
R•<br />
⎜ AP∧<br />
R<br />
⎜<br />
⎝ ⎠<br />
⎝<br />
2<br />
→ ⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
−→<br />
M<br />
A<br />
2<br />
−→<br />
2<br />
−→ →<br />
2<br />
−→<br />
⎛ ⎞<br />
= M<br />
P<br />
+ ⎜ AP∧<br />
R⎟<br />
> M<br />
P<br />
⎝<br />
⎠<br />
2<br />
Quel que soit P appartenant à l’axe central le moment en ce point est minimum.<br />
7.2. Symétrie du champ des moments d’un torseur<br />
Soit un repère orthonormé direct<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
dont l’axe vertical est confondu avec l’axe<br />
→<br />
central ( Δ)<br />
= ( O,<br />
z)<br />
du torseur défini au point O par : [ ]<br />
→<br />
z<br />
T O<br />
→ →<br />
⎪⎧<br />
R = R z<br />
⎨ −→<br />
⎪⎩ M<br />
O<br />
= M<br />
= →<br />
O<br />
z<br />
C<br />
−→<br />
M C<br />
−→<br />
M A<br />
→<br />
v<br />
→<br />
z<br />
2<br />
−→<br />
M A 1<br />
−→<br />
M A<br />
→<br />
R A<br />
A 1<br />
−→<br />
M<br />
O<br />
A 2<br />
→<br />
u<br />
O<br />
→<br />
y<br />
→<br />
x<br />
(Δ)<br />
On défini un autre repère local orthonormé direct en un point A quelconque de l’espace tel<br />
que l’axe Oz reste confondu :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( A,<br />
u,<br />
v,<br />
z)<br />
tel que u∧<br />
v = z)<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
u<br />
→<br />
L’axe ( A , ) rencontre l’axe ( O,<br />
z)<br />
en un point C.<br />
−−→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
On pose OC = h z et CA = L u d’où OA = OC+<br />
CA = h z+<br />
L u<br />
−−→<br />
Par la formule de transport nous pouvons écrire :<br />
−−→<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
M<br />
A<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
= M + R∧<br />
OA = M z + R z∧<br />
( h z+<br />
L u)<br />
O<br />
O<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
M<br />
A<br />
→<br />
→<br />
= M z + R L v<br />
O<br />
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A.KADI<br />
D’après cette relation, on constate que les vecteurs moments autour de l’axe central sont<br />
→<br />
→<br />
situés dans le plan ( v , z ) .<br />
−→<br />
- Si L = Cte alors : M • z = M z • z + RL z • u = M ;<br />
A<br />
→<br />
O<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
O<br />
−→<br />
- Le module du moment M A<br />
est constant si L = Cte :<br />
M<br />
2<br />
A<br />
= ( M<br />
O<br />
) + ( RL<br />
)<br />
2<br />
On remarque que les vecteurs moments situés à une même distance L de l’axe central<br />
(Δ) sont<br />
tangents au cylindre de révolution de même axe<br />
(Δ)<br />
.<br />
On constate aussi que lorsque le point A où est mesuré le moment se déplace le long de l’axe<br />
( C ,<br />
→<br />
u<br />
) , le moment en ce point fait des rotations. Nous avons alors<br />
−→<br />
M A<br />
- pour L = 0 est parallèle à<br />
→<br />
z<br />
−→<br />
M A<br />
- pour L → ∞ est orthogonal à l’axe<br />
→<br />
z<br />
On constate donc une torsion du moment lorsque le point A s’éloigne de l’axe central du<br />
torseur, c’est de là que vient l’origine du mot torseur.<br />
7.3. Equation vectorielle de l’axe central<br />
Soit O l’origine des coordonnées dans un repère orthonormé et (Δ)<br />
l’axe central d’un<br />
]<br />
torseur [ T . Nous avons : ∀P ∈ (Δ)<br />
⇒<br />
−→<br />
→<br />
M P<br />
= λ R ⇔<br />
− →<br />
M P<br />
→<br />
// R<br />
⇒<br />
−→<br />
M P<br />
→<br />
→<br />
∧ R = 0<br />
Et<br />
−→<br />
M<br />
P<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
= M + PO∧<br />
R<br />
O<br />
⇒<br />
→<br />
−→<br />
R ∧ M<br />
P<br />
→<br />
−→<br />
= R ∧ M<br />
O<br />
+<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
R ∧ PO∧<br />
R<br />
=<br />
→<br />
0<br />
En utilisant la propriété du double produit vectoriel, on aboutit à :<br />
→ −→ −→ → → → −→ →<br />
2<br />
R ∧ M<br />
O<br />
+ PO(<br />
R ) − R ( R • PO ) = 0<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
−→<br />
2<br />
OP(<br />
R ) = R ∧ M<br />
O<br />
− R ( R • PO ) ⇒<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
R ∧ M ( • )<br />
→<br />
O R OP<br />
OP = + R<br />
→<br />
→<br />
2<br />
2<br />
R R<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
R ∧ M ( • )<br />
→<br />
O R OP<br />
OP = + R<br />
→<br />
→<br />
2<br />
2<br />
R R<br />
→<br />
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A.KADI<br />
Le premier terme de cette équation est indépendant du point P, on peut le noter comme étant<br />
un vecteur<br />
−→<br />
OP<br />
0<br />
=<br />
→<br />
→<br />
2<br />
−→<br />
R ∧ M<br />
R<br />
O<br />
et le second terme dépend du point P car c’est un vecteur<br />
parallèle à → R . On pose<br />
(<br />
→ −→<br />
R • OP<br />
[ ]<br />
→<br />
2<br />
R<br />
)<br />
= λ<br />
T<br />
0<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
d’où : OP = OP0<br />
+ λ R<br />
L’axe central du torseur passe par le point P défini à partir de O par l’équation :<br />
−→<br />
OP<br />
0<br />
=<br />
→<br />
−→<br />
R ∧ M O<br />
et parallèle à → →<br />
R<br />
R donc au vecteur unitaire : u<br />
→<br />
= .<br />
→<br />
2<br />
R<br />
R<br />
→<br />
7.4. Pas du torseur<br />
Nous savons que pour tout point P de l’axe central nous avons :<br />
−→<br />
M P<br />
→<br />
= λ R<br />
Le produit scalaire de cette expression par l’invariable vectorielle → R donne :<br />
−→<br />
−→ → → →<br />
M • R<br />
M P<br />
• R = λ R • R d’où : λ = P<br />
→<br />
2<br />
R<br />
→<br />
Comme le produit<br />
− → →<br />
M<br />
P<br />
• R<br />
est l’invariant scalaire du torseur, la valeur<br />
λ est indépendante<br />
du point P. λ est appelée ‘’ Pas du torseur’’ elle n’est définie que si :<br />
→ →<br />
R ≠ 0<br />
8. Torseurs particuliers<br />
8.1. Glisseur<br />
8.1.1. Définition<br />
Un torseur de résultante non nulle est un glisseur, si et seulement si, son invariant scalaire est<br />
⎪ I<br />
nul. Cette définition peut se traduire par :[ T ] est un glisseur ⇔ [ T ]<br />
−→ →<br />
⎧<br />
= M<br />
P<br />
• R = 0<br />
⎨ → →<br />
⎪⎩ avec R ≠ 0<br />
∀P,<br />
On sait que l’invariant scalaire est indépendant du point P où il est calculé. Comme la<br />
résultante n’est pas nulle alors on peut dire que : un torseur est un glisseur, si et seulement si,<br />
il existe au moins un point en lequel le moment du torseur est nul.<br />
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A.KADI<br />
8.1.2. Moment en un point d’un glisseur<br />
Soit [ T ] un glisseur donné. Il existe au moins un point où le moment du glisseur est nul.<br />
−→<br />
M A<br />
Soit A ce point, nous pouvons écrire : = 0 ,<br />
Par la formule de transport le moment en un point P quelconque s’écrit :<br />
→<br />
−→<br />
M<br />
P<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
= M + R ∧ AP<br />
A<br />
−→<br />
M P<br />
→<br />
−→<br />
= R ∧ AP<br />
Cette relation exprime le vecteur moment en un point P quelconque d’un glisseur dont le<br />
moment est nul au point A.<br />
8.1.3. Axe d’un glisseur<br />
−→ →<br />
Soit [ T ] un glisseur donné et A un point quelconque tel que : = 0 ,<br />
Cherchons l’ensemble des points P pour lesquels le moment du torseur est nul :<br />
M A<br />
Si<br />
−→<br />
M<br />
P<br />
=<br />
→<br />
0<br />
⇔<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
R ∧ AP = 0<br />
; cette relation montre que le vecteur<br />
−→<br />
AP est colinéaire à la<br />
résultante R → .<br />
L’ensemble des points P est déterminé par la droite passant par le point A et de vecteur<br />
unitaire parallèle à la résultante R → .<br />
Cette droite est appelée axe des moments nul du glisseur ou axe du glisseur. Elle représente<br />
l’axe central du glisseur.<br />
Un torseur de résultante non nulle est un glisseur, si et seulement si, son invariant scalaire est<br />
nul.<br />
8.2. Torseur couple<br />
8.2.1. Définition<br />
Un torseur non nul est un torseur couple, si et seulement si, sa résultante est nulle.<br />
Cette définition se traduire par :<br />
[ T ]<br />
est un torseur couple<br />
⇔<br />
→ →<br />
⎪<br />
⎧<br />
R = 0<br />
⎨<br />
⎪⎩ ∃ P tel que :<br />
−→<br />
M P<br />
→<br />
≠ 0<br />
61
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A.KADI<br />
8.2.2. Propriétés du vecteur moment<br />
Le moment d’un torseur couple est indépendant des points de l’espace où il est mesuré.<br />
Nous avons : V = tel que :<br />
1<br />
V 2<br />
→ → → → → →<br />
R = V1<br />
+ V2<br />
= 0 ⇒ V2<br />
= −V1<br />
Le moment en un point A quelconque de l’espace est donné par :<br />
−→<br />
M A<br />
−→ → −→ → −→ → −→ →<br />
= AP∧V1 + AQ∧V2<br />
= AP∧V1<br />
− AQ∧V1<br />
→<br />
V 1<br />
P<br />
(S)<br />
−→<br />
M A<br />
−→ → −→ → −→ →<br />
= AP∧V1 − AQ∧V1<br />
= QP∧V1<br />
H<br />
Q<br />
→<br />
V 2<br />
On voit bien que le moment au point A est indépendant<br />
du A. on va montrer qu’il est aussi indépendant des points P et Q.<br />
En effet nous avons :<br />
−→<br />
M A<br />
−→ → −→ −→ → −→ →<br />
= QP∧V1 = ( QH + HP)<br />
∧V1<br />
= HP∧V1<br />
→<br />
H est la projection orthogonale du point P sur la droite support du vecteur V 2<br />
.<br />
En réalité le moment d’un torseur couple ne dépend que de la distance qui sépare les deux<br />
droites supports des deux vecteurs, il est indépendant du lieu où il est mesuré.<br />
8.2.3. Décomposition d’un torseur couple<br />
Soit [ un torseur couple défini par : [ ] . Ce torseur couple peut être décomposé<br />
T C<br />
]<br />
→<br />
⎪⎧<br />
T =<br />
0<br />
C ⎨−→<br />
⎪⎩ M<br />
en deux glisseurs [ T 1] et [ T<br />
2<br />
] tel que : [ T C<br />
] [ T 1<br />
] + [ T 2<br />
]<br />
comme suit : [ T ]<br />
C<br />
→ → →<br />
⎧<br />
⎪ R1<br />
+ R2<br />
= 0<br />
⎨−→<br />
−→ −<br />
⎪⎩ M = M<br />
1P<br />
+ M<br />
=<br />
→<br />
2P<br />
= où les deux glisseurs sont définis<br />
où P est un point quelconque<br />
−→ −→<br />
1 1 1<br />
=<br />
−→ −→<br />
2 2P<br />
2<br />
=<br />
Les invariants des deux glisseurs sont nuls: I = M<br />
P<br />
• R 0 ; I = M • R 0<br />
Il existe une infinité de solution équivalente à un torseur couple.<br />
Le problème est résolu de la manière suivante :<br />
a) on choisis un glisseur [ T 1<br />
] en se donnant :<br />
- la résultante du glisseur : ;<br />
→<br />
R 1<br />
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A.KADI<br />
- l’axe ( 1<br />
) du glisseur, défini par un point P tel que : Δ ) = ( P , R )<br />
Δ<br />
1<br />
b) Le glisseur [ T 2<br />
] est défini alors par :<br />
- sa résultante R 2<br />
− R ;<br />
→<br />
→<br />
=<br />
1<br />
→<br />
(<br />
1 1 1<br />
- son axe ( Δ ) 2<br />
est déterminé facilement car il est parallèle à Δ ) ; il suffit alors de<br />
connaître un point de cet axe. Le point P est déterminé par la relation suivante :<br />
P2<br />
2<br />
→ −−−→<br />
R1<br />
∧ P1<br />
P2<br />
−→<br />
= M<br />
( 1<br />
Cette relation détermine la position du point<br />
P 2<br />
de façon unique.<br />
9. Torseur quelconque<br />
9.1. Définition<br />
Un torseur est quelconque, si et seulement si, son invariant scalaire n’est pas nul.<br />
[ T ] est un torseur quelconque ⇔<br />
→<br />
−→<br />
M P<br />
→<br />
R• ≠ 0<br />
9.2. Décomposition d’un torseur quelconque<br />
Un torseur<br />
[ T ]<br />
quelconque peut être décomposé d’une infinité de façon en la somme d’un<br />
1]<br />
torseur glisseur [ T et d’un torseur couple[ T ].<br />
Nous procédons de la manière suivante :<br />
a) Choix du point P<br />
On choisit un point P où les éléments de réduction du torseur [ T ] sont connus :[ T ]<br />
2<br />
→<br />
⎪⎧<br />
R<br />
⎨<br />
⎪⎩<br />
= −→<br />
M P<br />
Le choix du point P dépendra du problème à résoudre, on choisit le point le plus simple à<br />
déterminer. Une fois que le choix est fait, la décomposition du torseur quelconque est unique.<br />
b) Construction du glisseur [ ] T 1<br />
- la résultante égale à la résultante du torseur quelconque : R1 = R , avec son axe qui passe<br />
par le point P déjà choisi ;<br />
→<br />
→<br />
- Le moment est nul sur cet axe :<br />
−→<br />
M 1P<br />
→<br />
= 0<br />
63
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A.KADI<br />
[ T ]<br />
[ T ]<br />
Le glisseur aura pour éléments de réduction :<br />
1<br />
c) Construction du torseur couple [ T<br />
2<br />
]<br />
→ →<br />
- la résultante est nulle : R 2 = 0 ,<br />
1<br />
→<br />
⎧<br />
⎪ R<br />
⎨<br />
⎪⎩<br />
→<br />
= R<br />
1<br />
=<br />
−→ →<br />
M<br />
1 P<br />
= 0<br />
- Le moment du torseur couple est égal au moment du torseur quelconque:<br />
−→<br />
−→<br />
=<br />
P<br />
M 2P<br />
M<br />
[ T ]<br />
[ T ]<br />
Le glisseur aura pour éléments de réduction :<br />
1<br />
On obtient ainsi [ T ] = [ ] + [ ]<br />
T 1<br />
T 2<br />
2<br />
⎧<br />
⎪ R<br />
⎨ −→<br />
⎪⎩ M<br />
2<br />
→<br />
= 0<br />
2<br />
=<br />
−→<br />
=<br />
→<br />
P<br />
M P<br />
En chaque point choisi initialement nous pouvons faire cette construction. Tous les glisseurs<br />
obtenus auront la même résultante. Ils différent par leurs axes mais gardent la même direction<br />
car ils sont tous parallèles à l’axe portant la résultante du torseur quelconque.<br />
10. Tableau récapitulatif sur les torseurs<br />
Eléments de réduction au point A Construction minimum Type de torseur<br />
→ →<br />
R ≠ 0<br />
→ −→ →<br />
R • = 0<br />
Un vecteur lié unique Torseur glisseur<br />
M A<br />
→ →<br />
R = 0<br />
−→ →<br />
M ≠ 0<br />
A<br />
Deux vecteurs liés formant<br />
un couple<br />
Torseur couple<br />
→<br />
R<br />
−→<br />
• M A<br />
→<br />
≠ 0<br />
Un vecteur lié + 2 vecteurs<br />
liés formant un couple<br />
Torseur quelconque<br />
→ →<br />
R = 0<br />
−→ →<br />
M = 0<br />
A<br />
Vecteurs nuls<br />
Torseur nul<br />
64
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
EXERCICES ET SOLUTIONS<br />
Exercice : 01<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Dans un repère orthonormé R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
, deux points A et B ont pour coordonnées :<br />
A(2, 2, -3) et B(5, 3, 2) ; Déterminer :<br />
−→<br />
1) Le moment du vecteur glissant AB par rapport au centre O du repère ;<br />
−→<br />
2) Le moment du vecteur glissant AB par rapport à la droite (Δ)<br />
passant par le point O et le<br />
point C(2, 2, 1)<br />
Solution :<br />
−→<br />
1) Le moment du vecteur AB par rapport au point O est donné par :<br />
⎛ 2 ⎞ ⎛3⎞<br />
⎛ 13 ⎞<br />
−→ −−→ −−→ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ → → →<br />
M O<br />
= OA ∧ AB = ⎜ 2 ⎟ ∧ ⎜1⎟<br />
= ⎜−19⎟<br />
= 13 i −19<br />
j−<br />
4 k<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝−<br />
3⎠<br />
⎝5⎠<br />
⎝ − 4 ⎠<br />
;<br />
−→<br />
2) Moment du vecteur AB par rapport au point à la droite (Δ)<br />
définie par le point O et le<br />
→<br />
vecteur unitaire u tel que :<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
OC 2 i + 2 j+<br />
k 1<br />
→ → →<br />
⎛ ⎞<br />
u = =<br />
= ⎜2<br />
i + 2 j+<br />
k ⎟<br />
OC 4 + 4 + 1 3 ⎝ ⎠<br />
→<br />
⎛ 13 ⎞ ⎛2⎞<br />
−→ −→ → →<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
16<br />
→<br />
⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
M<br />
Δ<br />
= ⎜ M<br />
O<br />
• u ⎟u<br />
= ⎜−19⎟<br />
• ⎜2⎟u<br />
= (26 − 38 − 4) u = − u ;<br />
⎝ ⎠ ⎜ 3 3<br />
3<br />
4 ⎟ ⎜1⎟<br />
⎝ − ⎠ ⎝ ⎠<br />
65
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice : 02<br />
→<br />
V 1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Soient les trois vecteurs = − i + j+<br />
k ; V = j+<br />
2 k , = i − j définis dans un repère<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V 3<br />
→<br />
→<br />
orthonormé<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
et liés respectivement au points A( 0,1,2) , B(1,0,2),<br />
C(1,2,0<br />
)<br />
T<br />
1) Construire le torseur [ ] associé au système de vecteurs ;<br />
O<br />
→ → →<br />
1<br />
, V2<br />
, V3<br />
2) En déduire l’automoment ;<br />
3) Calculer le pas du torseur ;<br />
4) Déterminer l’axe central du torseur vectoriellement et analytiquement.<br />
V<br />
Solution :<br />
1) Les éléments de réduction du torseur [ T ] O sont :<br />
La résultante :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R = V + V + V = j+<br />
3 k<br />
1<br />
2<br />
3<br />
−→<br />
−−→<br />
−−→<br />
−−→<br />
Le moment au point O : M O<br />
= OA ∧ V1<br />
+ OB ∧V2<br />
+ OC ∧V3<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
M<br />
O<br />
⎛0⎞<br />
⎛−1⎞<br />
⎛1⎞<br />
⎛0⎞<br />
⎛1⎞<br />
⎛ 1 ⎞ ⎛ −1⎞<br />
⎛−<br />
2⎞<br />
⎛ 2 ⎞ ⎛ −1⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
= ⎜1⎟<br />
∧ ⎜ 1 ⎟ + ⎜0⎟<br />
∧ ⎜1⎟<br />
+ ⎜2⎟<br />
∧ ⎜−1⎟<br />
= ⎜−<br />
2⎟<br />
+ ⎜−<br />
2⎟<br />
+ ⎜ 2 ⎟ = ⎜−<br />
2<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎟⎟ ⎝2⎠<br />
⎝ 1 ⎠ ⎝2⎠<br />
⎝2⎠<br />
⎝2⎠<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝ 1 ⎠ ⎝ 1 ⎠ ⎝−<br />
3⎠<br />
⎝ −1⎠<br />
→ −→ → → → → →<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
2) L’automoment : A = R • M<br />
O = ⎜ j + 3 k ⎟ • ⎜−<br />
i − 2 j−<br />
k ⎟ = −2<br />
− 3 = −5<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
→<br />
−→<br />
R M<br />
3) Pas du torseur : p =<br />
R<br />
1<br />
− 5<br />
•<br />
O<br />
= = −<br />
2 2 2<br />
4) Equation vectorielle de l’axe central :<br />
+ 3<br />
5<br />
10<br />
Si l’axe (Δ)<br />
est un axe central alors : ∀ P ∈ (Δ)<br />
⇒<br />
−→<br />
M P<br />
→<br />
= λ R<br />
Son équation vectorielle est donnée par :<br />
→<br />
−→<br />
−→<br />
R∧<br />
M<br />
→<br />
O<br />
OP = + λ R avec λ ∈ IR<br />
2<br />
R<br />
66
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
⎛0⎞<br />
⎛ −1⎞<br />
⎛0⎞<br />
⎛ 5 ⎞ ⎛0⎞<br />
−→<br />
1 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 1 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎛ 3 ⎞ ⎛ 1 ⎞<br />
OP = ⎜1⎟<br />
∧ ⎜−<br />
2⎟<br />
+ λ⎜1⎟<br />
= ⎜−<br />
3⎟<br />
+ λ⎜1⎟<br />
= i + ⎜−<br />
+ λ ⎟ j+<br />
⎜ + 3λ<br />
⎟ k<br />
10 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 10 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 2 ⎝ 10 ⎠ ⎝10<br />
⎠<br />
⎝3⎠<br />
⎝ −1⎠<br />
⎝3⎠<br />
⎝ 1 ⎠ ⎝3⎠<br />
⎧x<br />
−→<br />
⎪<br />
Si OP=<br />
⎨y<br />
alors :<br />
⎪<br />
R ⎩z<br />
0<br />
1 3<br />
1<br />
x = ; y = − + λ et z = + 3λ<br />
2 10 10<br />
1 ⎛ 3 ⎞ 1 9<br />
D’où : z = + 3⎜<br />
y + ⎟ = + 3y<br />
+ = 3y<br />
+ 1<br />
10 ⎝ 10 ⎠ 10 10<br />
L’axe central est une droite dans un plan parallèle au plan (yOz) situé à<br />
d’équation : z = 3 y + 1<br />
1<br />
x = et<br />
2<br />
Exercice : 03<br />
T 1<br />
] O<br />
Soit le torseur [ défini par les trois vecteurs V = −2<br />
i + 3 j−<br />
7 k ; V = 3 i − j−<br />
k ,<br />
→ → → →<br />
→ → →<br />
3<br />
)<br />
V = − i − 2 j+<br />
8 k<br />
définis dans un repère orthonormé R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k respectivement au points<br />
2<br />
A(1,0,0), B(0,1,0), C(0,0,1) ; et le torseur [ ] où R = 2 i + j+<br />
3k<br />
et<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
M = −3<br />
i + 2 j−<br />
7 k .<br />
20<br />
T2<br />
O<br />
→<br />
1<br />
⎧<br />
⎪ R<br />
⎨ −<br />
⎪⎩ M<br />
→<br />
=<br />
→<br />
1) Déterminer les éléments de réduction du torseur [ T 1<br />
] O<br />
, conclusion;<br />
2) Déterminer le pas et l’axe central du torseur [ T 2<br />
] O<br />
;<br />
3) Calculer la somme et le produit des deux torseurs ;<br />
4) Calculer l’automoment du torseur somme .<br />
Solution :<br />
20<br />
→<br />
→<br />
→<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
1) Eléments de réduction du torseur:[ T ]<br />
1<br />
O<br />
→ → → →<br />
⎧<br />
⎪ R1<br />
= V1<br />
+ V2<br />
+ V3<br />
⎨ −→ −→ → −→<br />
⎪⎩ M<br />
1O<br />
= OA∧<br />
V1<br />
+ OB∧V<br />
=<br />
→ −→ →<br />
2<br />
+ OC∧V<br />
3<br />
→<br />
R<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
= V + V + V<br />
3<br />
→<br />
= 0<br />
67
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
⎛1⎞<br />
⎛−<br />
2⎞<br />
⎛0⎞<br />
⎛ 3 ⎞ ⎛0⎞<br />
⎛ −1⎞<br />
⎛0⎞<br />
⎛ −1⎞<br />
⎛ 2 ⎞ ⎛1⎞<br />
−→ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ → →<br />
M<br />
1 O<br />
= ⎜0⎟<br />
∧ ⎜ 3 ⎟ + ⎜1⎟<br />
∧ ⎜−1⎟<br />
+ ⎜0⎟<br />
∧ ⎜−<br />
2⎟<br />
= ⎜7⎟<br />
+ ⎜ 0 ⎟ + ⎜−1⎟<br />
= ⎜6⎟<br />
= i + 6 j<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝0⎠<br />
⎝−<br />
7⎠<br />
⎝0⎠<br />
⎝−1⎠<br />
⎝1⎠<br />
⎝ 8 ⎠ ⎝3⎠<br />
⎝−<br />
3⎠<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝0⎠<br />
[ T ]<br />
1<br />
O<br />
→ →<br />
⎧<br />
⎪ R1<br />
= 0<br />
⎨ −→ →<br />
⎪⎩ M<br />
1O<br />
= i + 6 j<br />
=<br />
→<br />
2) Pas et axe central du torseur [<br />
T 2<br />
] O<br />
Pas du torseur :<br />
P<br />
→<br />
R<br />
−→<br />
M<br />
→<br />
⎛<br />
⎜2<br />
i +<br />
=<br />
⎝<br />
→<br />
→ → →<br />
⎞ ⎛<br />
⎞<br />
j+<br />
3k<br />
⎟ • ⎜−<br />
3 i + 2 j−<br />
7 k ⎟<br />
⎠ ⎝<br />
⎠ − 3 + 2 − 21<br />
=<br />
=<br />
4 + 1+<br />
9<br />
14<br />
→<br />
2<br />
•<br />
2<br />
2<br />
=<br />
−<br />
2<br />
R2<br />
11<br />
7<br />
Axe central du torseur :<br />
→<br />
−→<br />
−→<br />
R ∧<br />
→<br />
2<br />
M<br />
2<br />
OP = + λ R<br />
2<br />
2<br />
R<br />
2<br />
−→<br />
OP =<br />
1<br />
14<br />
⎛2⎞<br />
⎛ − 3⎞<br />
⎛2⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎜1⎟<br />
∧ ⎜ 2 ⎟ + λ⎜1⎟<br />
=<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝3⎠<br />
⎝−<br />
7⎠<br />
⎝3⎠<br />
1<br />
14<br />
3) Somme et produit des deux torseurs<br />
a) Somme des deux torseurs :<br />
[ T ] [ T ] + [ T ]<br />
⎛−13⎞<br />
⎛2⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎜ 5 ⎟ + λ⎜1⎟<br />
=<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ 7 ⎠ ⎝3⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
13<br />
−<br />
14<br />
5<br />
14<br />
1<br />
2<br />
⎞<br />
+ 2λ<br />
⎟<br />
⎟<br />
+ λ ⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
3λ<br />
⎟<br />
⎠<br />
→ → → → → →<br />
⎧<br />
⎪R<br />
= R1<br />
+ R2<br />
= 2 i + j+<br />
3k<br />
= ⎨ −→ −→ −→<br />
→ →<br />
⎪⎩ M<br />
O<br />
= M<br />
1O<br />
+ M<br />
2O<br />
= −2<br />
i + 8 j−<br />
7 k<br />
O<br />
=<br />
1 O 2 O<br />
→<br />
b) Produit des deux torseurs :<br />
→<br />
⎧<br />
⎪ R<br />
→ −→ → −→ → → →<br />
→ → →<br />
1 2<br />
[ T ] • [ T ] = • = R • M + R • M = 2 i + j+<br />
3k<br />
− 3 i + 2 j−<br />
7 k = 25<br />
1 2 ⎨ −→ ⎨ −→ 1 2O<br />
2 1O<br />
⎜ ⎟ • ⎜<br />
⎟ −<br />
O O<br />
⎪⎩ M<br />
1O<br />
⎧<br />
⎪ R<br />
→<br />
⎪⎩ M<br />
2O<br />
4) Automoment du torseur somme :<br />
→ −→<br />
F = R • M<br />
O<br />
→ → →<br />
→ → →<br />
⎛<br />
⎞ ⎛<br />
⎞<br />
= ⎜2 i + j+<br />
3 k ⎟ • ⎜−<br />
2 i + 8 j−<br />
7 k ⎟ = −17<br />
⎝<br />
⎠ ⎝<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎝<br />
+<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎠<br />
68
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice : 04<br />
On considère les points A(0, 1, 1), B(0, 1, -1), C(1, 1, 1) et D(0, 2, -1) dans un repère<br />
→<br />
orthonormé R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
. Déterminer :<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
1) Les éléments de réduction du torseur associé aux vecteurs AC et<br />
2) L’axe central du torseur vectoriellement et analytiquement.<br />
−→<br />
BD ;<br />
Exercice : 05<br />
Soit A un point de l’espace dans un repère orthonormé R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
, avec<br />
→<br />
→ → →<br />
→ → → →<br />
21 4 12<br />
OA = − i − j−<br />
k et un vecteur V1<br />
= −3<br />
i + j+<br />
3k<br />
dont l’axe passe par le point A .<br />
9 9 9<br />
T 2<br />
] 0<br />
Soit [ un torseur défini au point O par ses éléments de réduction et tel que :<br />
[ T ]<br />
2<br />
0<br />
→<br />
→ → →<br />
⎧<br />
⎪ R2<br />
= ( α − 4) i + α j+<br />
3α<br />
k<br />
⎨ −→<br />
→<br />
2<br />
⎪M<br />
20<br />
= (2α<br />
+ 9) j+<br />
( −3α<br />
− ) k<br />
⎩<br />
3<br />
= →<br />
1) Déterminer les éléments de réduction du torseur [ 1<br />
] 0<br />
→<br />
R 2<br />
→<br />
−→<br />
M 20<br />
→<br />
T dont la résultante est le vecteur ;<br />
2) Pour quelle valeur de α les deux torseurs sont égaux ;<br />
3) En déduire le pas et l’axe central du torseur [ T 2<br />
] 0<br />
pour cette valeur de α .<br />
4) Calculer le produit des deux torseurs pour α = 2<br />
→<br />
→<br />
V 1<br />
Solution :<br />
1) Eléments de réduction du torseur [ 1<br />
] 0<br />
[ T ]<br />
1<br />
[ T ]<br />
1<br />
0<br />
0<br />
→ → → →<br />
⎧<br />
⎪ V1<br />
= −3<br />
i + j+<br />
3k<br />
⎨ −→ −→<br />
⎪⎩ M<br />
10<br />
= OA∧V1<br />
=<br />
→<br />
→ → → →<br />
⎧<br />
⎪ V1<br />
= −3<br />
i + j+<br />
3k<br />
⎨ −→ →<br />
⎪⎩ M<br />
10<br />
= 11 j−<br />
(11/ 3) k<br />
=<br />
→<br />
; d’où<br />
T<br />
−→<br />
M<br />
−→<br />
= OA∧<br />
→<br />
10<br />
V 1<br />
⎛−<br />
21/ 9⎞<br />
⎛− 3⎞<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
= ⎜ − 4 / 9 ⎟ ∧ ⎜ 1 ⎟ = ⎜ 11 ⎟<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ −12 / 9⎠<br />
⎝ 3 ⎠ ⎝−11/<br />
3⎠<br />
2) Les deux torseurs sont égaux si leurs éléments de réductions sont égaux.<br />
→ →<br />
⎧<br />
⎪ V1<br />
= R2<br />
=<br />
2<br />
⇔<br />
0 ⎨ −→ −→<br />
⎪⎩ M<br />
10<br />
= M<br />
[ T ] [ T ]<br />
1<br />
0<br />
20<br />
→ → →<br />
→ → →<br />
⎧<br />
⎪−<br />
3 i + j+<br />
3k<br />
= ( α − 4) i + α j+<br />
3α<br />
k<br />
⇒ ⎨ →<br />
11<br />
→<br />
→<br />
2<br />
→<br />
⎪11<br />
j−<br />
k = (2α<br />
+ 9) j+<br />
( −3α<br />
− ) k<br />
⎩ 3<br />
3<br />
69
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Cette égalité est vérifiée pour : α = 1<br />
[ 2<br />
] 0<br />
4) Pas et axe central du torseur T pour α = 1.<br />
Le torseur s’écrit : [ T ]<br />
2<br />
0<br />
⎧<br />
⎪ R<br />
⎨ −→<br />
⎪⎩ M<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= −3<br />
i + j+<br />
3k<br />
2<br />
=<br />
→<br />
→<br />
20<br />
= 11 j−<br />
(11/ 3) k<br />
→<br />
R2<br />
• M 1<br />
→ → → →<br />
11<br />
→<br />
20 ⎛<br />
⎞ ⎛ ⎞<br />
Pas du torseur : P<br />
2<br />
= = 3 3 11 = 0<br />
2 ⎜−<br />
i + j+<br />
k ⎟ • ⎜ j−<br />
k ⎟<br />
R 19 ⎝<br />
⎠ ⎝ 3 ⎠<br />
2<br />
−→<br />
Axe central du torseur : C’est l’ensemble des point P tel que :<br />
−→<br />
OP =<br />
1<br />
19<br />
⎛ 110 ⎞<br />
⎜−<br />
− 3λ<br />
⎟<br />
⎛− 3⎞<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛− 3⎞<br />
⎜ 57 ⎟<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
= ⎜ 11<br />
+ − + ⎟<br />
⎜ 1 ⎟ ∧ ⎜ 11 ⎟ λ⎜<br />
1 ⎟ λ<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ 3 ⎠ ⎝−11/<br />
3⎠<br />
⎝ 3 ⎠ ⎜ 33<br />
19 ⎟<br />
⎜ − + 3λ<br />
⎟<br />
⎝ 19 ⎠<br />
→<br />
−→<br />
−→<br />
R ∧<br />
→<br />
2<br />
M<br />
20<br />
OP = + λ R<br />
2<br />
2<br />
R<br />
2<br />
si (x, y, z) sont les coordonnées du point P alors : nous aurons les trois équations scalaires:<br />
110<br />
11<br />
33<br />
x = − − 3λ , y = − + λ , z = − + 3λ<br />
57<br />
19<br />
19<br />
385<br />
le point P décrit la courbe : 2x<br />
+ 3y<br />
+ z = −<br />
57<br />
5) Produit des deux torseurs pour α = 2<br />
2<br />
] 0<br />
Pour α = 2 le torseur [ s’écrit :<br />
⎧<br />
⎪ V<br />
→<br />
T [ T ]<br />
→<br />
⎧<br />
⎪R2<br />
⎨<br />
⎪M<br />
⎩<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= −2<br />
i + 2 j+<br />
6 k<br />
→<br />
20<br />
= 13 j−<br />
k<br />
3<br />
2<br />
=<br />
0<br />
−→<br />
→<br />
→ −→ → −→<br />
1 2<br />
[ T ] • [ T ] = • = V • M + R • M = 7<br />
1 2 ⎨ −→ ⎨ −→ 1 2O<br />
2 1O<br />
−<br />
O O<br />
⎪⎩ M<br />
1O<br />
⎧<br />
⎪ R<br />
→<br />
⎪⎩ M<br />
2O<br />
20<br />
70
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice : 06<br />
[ T 1<br />
] A<br />
] A<br />
Soient deux torseurs et [ définis au même point A par leurs éléments de réduction<br />
T 2<br />
→ → →<br />
dans un repère orthonormé R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
:<br />
→ → → →<br />
⎧<br />
⎪R<br />
= −3<br />
i + 2 j+<br />
2 k<br />
⎨ −→ → →<br />
⎪⎩ M<br />
1A<br />
= 4 i − j−<br />
7 k<br />
1<br />
[ T1 ]<br />
et [ T ]<br />
A<br />
=<br />
→<br />
2<br />
A<br />
→<br />
⎧<br />
⎪ R2<br />
⎨ −→<br />
⎪⎩ M<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= 3 i − 2 j−<br />
2 k<br />
=<br />
→ → →<br />
2 A<br />
= 4 i + j+<br />
7 k<br />
1) Déterminer l’axe central et le pas du torseur [ T 1<br />
] A<br />
;<br />
2) Déterminer l’automoment du torseur [ T 1<br />
] A<br />
, montrer qu’il est indépendant du point A ;<br />
3) Construire le torseur [ ] A<br />
[<br />
1<br />
] A<br />
+ [ ] A<br />
T = a T b T2<br />
avec a et b ∈ IR ;<br />
4) Quelle relation doivent vérifier a et b pour que le torseur [ T ] A soit un torseur couple ;<br />
5) Montrer que le torseur couple est indépendant du point ou on le mesure ;<br />
6) Déterminer le système le plus simple de vecteurs glissants associés au torseur somme :<br />
[ T1 ] A<br />
+ [ T2<br />
] A<br />
Solution :<br />
1) Axe central et Pas du torseur [ T 1<br />
] A<br />
Axe central : Il est défini par l’ensemble des points P tel que :<br />
→ −→<br />
−→<br />
R ∧<br />
→<br />
1<br />
M<br />
1A = + λ R<br />
2<br />
1<br />
R1<br />
OP<br />
−→<br />
OP =<br />
1<br />
17<br />
⎛− 3⎞<br />
⎛ 4 ⎞ ⎛− 3⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎜ 2 ⎟ ∧ ⎜ −1⎟<br />
+ λ⎜<br />
2 ⎟ =<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ 2 ⎠ ⎝−<br />
7⎠<br />
⎝ 2 ⎠<br />
Pas du torseur [ ] A<br />
:<br />
→<br />
1<br />
17<br />
⎛ 12 ⎞<br />
⎜ − − 3λ<br />
⎟<br />
⎛−12⎞<br />
⎛− 3⎞<br />
⎜ 17 ⎟<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
= ⎜ 13<br />
− + ⎟<br />
⎜ −13⎟<br />
+ λ⎜<br />
2 ⎟ 2λ<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ 17<br />
⎝ − 5 ⎠ ⎝ 2 ⎠ ⎜ 5 ⎟<br />
⎜−<br />
+ 2λ<br />
⎟<br />
⎝ 17 ⎠<br />
R1<br />
• M 1<br />
→ → → → → →<br />
1A<br />
⎛<br />
⎞ ⎛ ⎞ 28<br />
T 1<br />
P1 = = 3 2 2 4 7 = −<br />
2 ⎜−<br />
i + j+<br />
k ⎟ • ⎜ i − j−<br />
k ⎟<br />
R 17 ⎝<br />
⎠ ⎝ ⎠ 17<br />
2) Automoment du torseur [ ] A<br />
:<br />
1<br />
−→<br />
→ −→<br />
→ → → → → →<br />
⎛<br />
⎞ ⎛ ⎞<br />
T 1<br />
R1 • M<br />
1A<br />
= ⎜−<br />
3 i + 2 j+<br />
2 k ⎟ • ⎜4<br />
i − j−<br />
7 k ⎟ = −28<br />
⎝<br />
⎠ ⎝ ⎠<br />
71
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
L’automoment est indépendant du point A. En effet, d’après la formule de transport nous<br />
pouvons écrire :<br />
−→<br />
M<br />
A<br />
−→ −→ →<br />
= M<br />
B<br />
+ AB∧<br />
R1<br />
⇒<br />
→ −→ → −→ → ⎛ −→ → ⎞<br />
⎜<br />
⎟<br />
R1 • M<br />
A<br />
= R1<br />
• M<br />
B<br />
+ R1<br />
• ⎜ AB∧<br />
R ⎟<br />
⎜<br />
1<br />
⎟<br />
⎝<br />
⎠<br />
→ −→ → −→<br />
R • M<br />
A<br />
= R1<br />
• M<br />
B<br />
1<br />
, on voit bien qu’il est indépendant du point A.<br />
3) [ T ] A<br />
= a[ T1 ] A<br />
+ b[ T2<br />
] A<br />
⇔ [ T ]<br />
A<br />
→ →<br />
⎧<br />
⎪R<br />
= a R1<br />
+ b R2<br />
⎨ −→ −→ −<br />
⎪⎩ M<br />
A<br />
= a M<br />
1A<br />
+ b M<br />
=<br />
→<br />
2 A<br />
[ T ]<br />
A<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎪<br />
⎧<br />
R = −3(<br />
a − b)<br />
i + 2( a − b)<br />
j+<br />
2( a − b)<br />
k<br />
⎨ −→<br />
→<br />
→<br />
⎪⎩ M<br />
1A<br />
= 4( a + b)<br />
i − ( a − b)<br />
j−<br />
7( a − b)<br />
k<br />
=<br />
→<br />
4) Condition pour que [ T ]<br />
A soit un torseur couple :<br />
il faut que la résultante soit nulle :<br />
→ = →<br />
0<br />
R ⇒ a = b<br />
Le moment dans ce cas sera égal à :<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
M A<br />
= 4( a + b)<br />
i = 8a<br />
i<br />
1<br />
5) Le moment d’un torseur couple où les résultantes R , R ont le même module mais de<br />
sens opposées et appliquées aux points quelconque A et B s’écrit :<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
M A<br />
= OA∧<br />
R1 + OB∧<br />
R2<br />
= OA∧<br />
R1<br />
+ OB∧<br />
( − R1<br />
)<br />
−→ → −→ −→ →<br />
⎛ ⎞<br />
= BA∧<br />
R1 = ⎜ BH + HA⎟<br />
∧ R1<br />
⎝ ⎠<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
−→ → −→ → −→ →<br />
= HA∧<br />
R1 = − AH ∧ R1<br />
= AH ∧ R2<br />
→<br />
→<br />
R 1<br />
A<br />
H<br />
B<br />
→<br />
R 2<br />
Le moment d’un couple est indépendant de la distance entre les points A et B , il dépend<br />
uniquement de la distance qui sépare les deux droites supports des résultantes. Cette distance<br />
est appelée bras de levier.<br />
72
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
T T2<br />
6) Système simple de vecteurs glissants associés au torseur somme : [<br />
1<br />
] A<br />
+ [ ] A<br />
Le torseur somme [ T ] est donné par : [ T ]<br />
A<br />
A<br />
→ →<br />
⎪<br />
⎧<br />
R = 0<br />
⎨ −→<br />
⎪⎩ M<br />
A<br />
= 8 i<br />
= →<br />
La résultante peut être décomposées en deux vecteurs quelconque de même module et de sens<br />
opposé dont l’un des vecteurs est placé au point A, on obtient alors :<br />
−→ x<br />
−→ −→ → −→ → −→ → →<br />
M = AA∧<br />
V + AB∧ −V<br />
= AB∧ −V<br />
= i<br />
M A<br />
A<br />
5<br />
⎛<br />
système de deux vecteurs glissants : ⎜ A,<br />
⎝<br />
et ⎜ ⎛ ⎞<br />
− → →<br />
B, V⎟<br />
, tel que : V<br />
⎝ ⎠<br />
−→<br />
• M A<br />
= 0<br />
→<br />
V<br />
⎟ ⎠<br />
⎞<br />
y<br />
→<br />
V<br />
A<br />
→<br />
−V<br />
B<br />
z<br />
Exercice : 07<br />
[ ] 0<br />
Soient deux torseurs T 1<br />
et [ T 2<br />
] 0<br />
définis au même point O dans un repère orthonormé<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
par :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎧<br />
⎪ R = 2sinα<br />
i + 2cosα<br />
j<br />
⎨ −→<br />
→<br />
⎪⎩ M<br />
10<br />
= a cosα<br />
i − asinα<br />
j<br />
1<br />
[ T1 ]<br />
et [ T ]<br />
0<br />
=<br />
→<br />
1) Déterminer les pas des deux torseurs ;<br />
2) Quelle est la nature des deux torseurs ;<br />
3) Déterminer l’axe central du torseur [ T 2<br />
] 0<br />
;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎧<br />
⎪ R2<br />
= 2sinα<br />
i − 2cosα<br />
j<br />
⎨−→<br />
→<br />
⎪⎩ M<br />
20<br />
= −acosα<br />
i − asinα<br />
j<br />
2<br />
=<br />
0<br />
→<br />
4) Déterminer l’invariant scalaire du torseur [ T 3<br />
] 0<br />
défini par : [<br />
3<br />
] k1[ T1<br />
] k2[ T<br />
0<br />
0 2 0<br />
k 1<br />
et<br />
k<br />
2<br />
∈ IR<br />
;<br />
T = + ] où<br />
5) En déduire l’équation scalaire de la surface engendrée par l’axe central quand<br />
varient ;<br />
6) Calculer le produit des deux torseurs [ T 1<br />
] 0<br />
et [ 2<br />
] 0<br />
T ;<br />
k 1 et k 2<br />
73
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice : 08<br />
On considère deux points A(0, 1, 0), B(0, -1, 0) et deux vecteurs<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
AP = mα i + β k dans un repère orthonormé R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
AM<br />
→<br />
→<br />
= −mα<br />
i + β k<br />
1) Déterminer les équations de l’axe central du torseur défini par les vecteurs<br />
−→<br />
−→<br />
AM , et AP ;<br />
2) Déduire l’équation de la surface balayée par cette axe lorsque α et β varient en gardant<br />
m constant.<br />
Exercice : 09<br />
Soit [ T ] un torseur et A un point quelconque de l’espace.<br />
Déterminer l’ensemble des points P tels que le moment<br />
−→<br />
M du torseur [ T ] au point P soit<br />
P<br />
parallèle au moment<br />
−→<br />
M du torseur [ T ] au point A .<br />
A<br />
Exercice : 10<br />
On applique à un solide de forme quelconque deux forces tel que :<br />
aux points A et B du solide.<br />
1) Quelle est la nature du torseur lié aux deux forces ;<br />
2) Montrer que le moment de ce torseur est indépendant des point A et B.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
F = − F = 200N<br />
u<br />
1<br />
2<br />
74
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CHAPITRE III<br />
STATIQUE DES SOLIDES<br />
75
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
STATIQUE<br />
La statique est la partie de la mécanique qui étudie l’équilibre des systèmes matériels soumis<br />
à un ensemble de forces. Ces systèmes peuvent se réduire à un point matériel, un ensemble de<br />
points matériels, un solide ou à un ensemble de solides. Dans ce chapitre nous analyserons les<br />
actions mécaniques exercées sur ces systèmes à travers l’étude de l’équilibre de celui-ci.<br />
Un système matériel est en équilibre statique par rapport à un repère donné, si au cours du<br />
temps, chaque point de l’ensemble garde une position fixe par rapport au repère.<br />
1. Les systèmes de forces dans l’espace<br />
Les systèmes de forces sont classés en trois catégories :<br />
Concourants : les lignes d’action de toutes les forces du système passent par un même<br />
point. C’est ce que l’on appelle forces concourantes en un point.<br />
- Parallèles : les lignes d’actions des forces sont toutes parallèles, on dit aussi elles<br />
s’interceptent à l’infini<br />
- Non concourantes et non parallèles : les forces ne sont pas toutes concourantes et pas<br />
toutes parallèles.<br />
1.1. Composantes d’une force<br />
→<br />
Soit une force F appliquée à l’origine O d’un repère orthonormé R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
. Les<br />
composantes de cette force sont définies par :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z<br />
−→<br />
F<br />
z<br />
→<br />
z<br />
θ<br />
ϕ<br />
→<br />
F<br />
−→<br />
F<br />
H<br />
→<br />
y<br />
−→<br />
F x<br />
ϕ<br />
θ<br />
→<br />
F<br />
−→<br />
F<br />
y<br />
→<br />
y<br />
→<br />
x<br />
→<br />
x<br />
→<br />
F<br />
→<br />
F<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= F + F = F sinθ<br />
+ F cosθ<br />
= F sinθ<br />
cosϕ<br />
+ F sinθ<br />
sinϕ<br />
+ F cosθ<br />
H<br />
z<br />
→<br />
= F sin θ cosϕ<br />
i + F sinθ<br />
sinϕ<br />
j+<br />
F cosθ<br />
k<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
F<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= Fx i + Fy<br />
j+<br />
Fz<br />
k nous avons aussi :<br />
2 2 2<br />
F = Fx<br />
+ Fy<br />
+<br />
F<br />
2<br />
z<br />
76
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
1.2. Cosinus directeurs<br />
Les projections de la force<br />
→<br />
F<br />
donnent respectivement les angles :<br />
sur les trois axes ox, oy, oz<br />
→<br />
z<br />
θ<br />
z<br />
→<br />
F<br />
θ , θ , θ nous aurons alors :<br />
x<br />
y<br />
z<br />
θ x<br />
θ<br />
y<br />
F<br />
x<br />
= F cos θ , F = F cosθ<br />
, F = F cosθ<br />
x<br />
y<br />
y<br />
z<br />
z<br />
→<br />
y<br />
→<br />
x<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Si i , j , k sont les vecteurs unitaires du repère nous aurons : F = F i + F j+<br />
F k<br />
→<br />
x<br />
→<br />
y<br />
→<br />
z<br />
→<br />
→<br />
F<br />
→<br />
→<br />
→<br />
x<br />
i + cosθ<br />
y<br />
j+<br />
cosθ<br />
z<br />
k)<br />
= F(cos θ<br />
= F λ avec<br />
→<br />
→<br />
→<br />
λ = cosθ<br />
i + cosθ<br />
j+<br />
cosθ<br />
k<br />
x<br />
y<br />
→<br />
z<br />
→<br />
→<br />
Le vecteur λ a la même direction que la force F et pour module 1.<br />
cos<br />
2<br />
θ<br />
2<br />
2<br />
cos θ + cos θ = 1<br />
x<br />
+<br />
y<br />
z<br />
→<br />
2. Force définie par son module et deux points sur sa ligne d’action<br />
Soient deux points A x , y , z ) et B x , y , z ) appartenant à la droite (Δ)<br />
support de la<br />
→<br />
(<br />
A A A<br />
−→<br />
force F . Le vecteur AB s’écrira :<br />
(<br />
B B B<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
AB = ( xB − x<br />
A<br />
) i + ( yB<br />
− y<br />
A<br />
) j+<br />
( z<br />
B<br />
− z<br />
A<br />
) k<br />
−→<br />
AB =<br />
d<br />
→<br />
+ d<br />
→<br />
+ d<br />
→<br />
AB = d i + d j+<br />
d k<br />
x<br />
y<br />
2 2 2<br />
x y z<br />
=<br />
z<br />
d<br />
→<br />
z<br />
A<br />
x<br />
→<br />
F<br />
B<br />
x<br />
→<br />
y<br />
→<br />
x<br />
Soit le vecteur unitaire le long de la ligne d’action de la force. Il est donné par :<br />
→<br />
u<br />
−→ → → →<br />
→<br />
AB d<br />
1<br />
→ → →<br />
x<br />
i + d<br />
y<br />
j+<br />
d<br />
z<br />
k<br />
u = =<br />
= ( d<br />
x<br />
i + d<br />
y<br />
j+<br />
d<br />
z<br />
k)<br />
AB<br />
2 2 2<br />
d + d + d d<br />
x<br />
y<br />
z<br />
Comme la force est donnée par :<br />
→ →<br />
F<br />
→ → →<br />
F = F u = ( d i + d<br />
y<br />
j+<br />
d<br />
z<br />
k)<br />
d<br />
x<br />
,<br />
Composantes suivant les trois axes du repère :<br />
F<br />
d<br />
x<br />
= F<br />
d<br />
d<br />
y d<br />
z<br />
, Fy<br />
= F , Fz<br />
F .<br />
d<br />
d<br />
x<br />
=<br />
77
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3. Equilibre d’un point matériel<br />
On appelle, point matériel, une particule suffisamment petite pour pouvoir négliger ses<br />
dimensions et repérer sa position par ses coordonnées.<br />
→<br />
z<br />
o<br />
→<br />
F<br />
n<br />
→<br />
F<br />
3<br />
→<br />
F<br />
1<br />
→<br />
F<br />
→<br />
y<br />
2<br />
→<br />
x<br />
Un point matériel est en équilibre statique lorsque la somme de toutes les forces extérieures<br />
auxquelles il est soumis, est nulle.<br />
Ces forces peuvent être coplanaire ou dans l’espace.<br />
→ → → →<br />
→ →<br />
F<br />
1+ F2<br />
+ F3<br />
+ F4<br />
+ ..............<br />
+ F1<br />
= 0 ⇔ R → = ∑ F →<br />
=<br />
→<br />
i<br />
0<br />
i<br />
Une particule soumise à deux forces est en équilibre statique si les deux forces ont le même<br />
module, la même direction mais de sens opposé tel que leur résultante, soit nulle.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
F + = 0 ; − F 0 ⇒<br />
1<br />
F 2<br />
F1 2<br />
= F<br />
1<br />
= F2<br />
→<br />
F 1<br />
→<br />
F<br />
2<br />
4. Liaisons des solides<br />
4.1. Liaisons sans frottements<br />
Dans le cas d’une liaison sans frottement entre un solide et un plan, la réaction est toujours<br />
normale au plan au point de contact quelques soit le nombre de forces extérieures appliquées<br />
au solide.<br />
Mur lisse<br />
→<br />
N<br />
→<br />
N<br />
→<br />
P<br />
réaction<br />
action<br />
→<br />
F 1<br />
→<br />
n<br />
→<br />
N<br />
→<br />
F<br />
n<br />
→<br />
F<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
N + P = 0<br />
→<br />
→<br />
F i<br />
→<br />
N + ∑ = 0<br />
i<br />
78
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Dans le cas d’un contact ponctuel sans frottement, la condition d’équilibre est réalisée, si la<br />
somme de toutes les forces extérieures appliquées en ce point est égale à la réaction normale<br />
en ce même point.<br />
→<br />
→<br />
F i<br />
→<br />
N + ∑ = 0<br />
i<br />
4.2. Liaisons entre solides avec frottements<br />
On pose une pièce de bois en forme de parallélépipède sur un plan horizontal. Cette pièce de<br />
bois est en équilibre statique. La réaction du plan horizontal est égale et opposée au poids de<br />
la pièce.<br />
Figure : b.1<br />
→<br />
N<br />
→<br />
P<br />
→<br />
T<br />
→<br />
N<br />
→<br />
P<br />
Figure : b.2<br />
Appliquons graduellement en un point de cette pièce une force horizontale F → (figure : b.1)<br />
La pièce ne bougera pas tant que cette force est inférieure à une certaine valeur limite, il<br />
existe alors une contre force T → qui équilibre et s’oppose à cette force F → →<br />
. T est appelée<br />
force de frottement statique.<br />
Elle résulte d’un grand nombre de paramètres liés aux états de surfaces, à la nature des<br />
matériaux et aux forces de contact entre la pièce et la surface considérée.<br />
Cette force de frottement statique obéit à la variation représentée sur la figure suivante.<br />
Si μ 0 est le coefficient de frottement statique (dépend uniquement de la nature des surfaces<br />
de contact) nous pouvons écrire :<br />
→<br />
F<br />
→<br />
T<br />
T m : force maximum<br />
de frottement statique<br />
Partie statique<br />
T k : force de frottement<br />
dynamique<br />
→<br />
F<br />
‣ Pour que l’équilibre statique soit réalisable il faut que :<br />
→<br />
T p μ<br />
0<br />
→<br />
N<br />
‣ A l’équilibre limite on aura :<br />
→<br />
T =<br />
0<br />
→<br />
μ N<br />
79
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Dans le cas d’une surface avec frottements (figure ci-dessous), la condition d’équilibre<br />
s’écrira :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
F i<br />
→<br />
N + T + ∑ = 0<br />
i<br />
(la somme des actions et des réactions, est nulle)<br />
T<br />
μ m<br />
0<br />
= tgϕ<br />
N<br />
= →<br />
→<br />
→<br />
R<br />
→<br />
T<br />
ϕ<br />
→<br />
N<br />
→<br />
F<br />
La force de frottement T → est dirigée dans le<br />
sens contraire du mouvement et l’angle ϕ est appelé angle de frottement statique.<br />
→<br />
P<br />
Si<br />
→<br />
→<br />
T m<br />
F f le solide se met en mouvement de glissement sur la surface.<br />
→ →<br />
T<br />
T = k N avec k < μ0<br />
et tg φ = =<br />
→<br />
N<br />
→<br />
k<br />
Ce coefficient k indépendant du temps est appelé coefficient de frottement dynamique, il est<br />
aussi indépendant de la vitesse.<br />
Ce tableau reprend quelques coefficients de frottement statiques et dynamiques des surfaces<br />
de matériaux en contact :<br />
Coefficient de frottement<br />
statique μ 0<br />
Acier / Acier Mouillé 0.1<br />
A sec 0.6<br />
Coefficient de frottement<br />
dynamique k<br />
0.05<br />
0.4<br />
Bois / Bois Mouillé 0.5 0.3<br />
Métal / glace 0.03 0.01<br />
Téflon / Acier 0.04 0.04<br />
Cuivre / Acier A Sec 0.5 0.4<br />
80
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A.KADI<br />
5. Système de forces<br />
5.1 Moment d’une force par rapport à un point<br />
Le moment<br />
M −− F<br />
( →<br />
) 0<br />
par rapport à un point O, d’une force<br />
→<br />
F appliquée au point A est égale<br />
−−→<br />
M<br />
0<br />
−→<br />
→<br />
au produit vectoriel : ( F)<br />
= OA∧<br />
F . Le trièdre formé par les vecteurs<br />
−−→<br />
( M ( F)<br />
0<br />
,<br />
−→<br />
OA,<br />
→<br />
F)<br />
est direct.<br />
−→<br />
M ( F<br />
→ ) 0<br />
→<br />
F<br />
π<br />
O<br />
A<br />
Remarque :<br />
Le moment d’une force, glissant le long d’un axe<br />
(Δ)<br />
, par rapport à un point O est indépendant du point A où elle s’applique.<br />
−→<br />
−−→<br />
→<br />
−−→<br />
−−→<br />
M O<br />
= OA∧<br />
F = ( OH + HA)<br />
∧ F avec OH ⊥ (Δ)<br />
−→<br />
−−→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
M O<br />
= OH ∧ F + HA∧<br />
F comme HA //<br />
Alors<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
HA∧<br />
F = O<br />
d’où<br />
−→<br />
M O<br />
−−→<br />
−−→<br />
→<br />
F<br />
→<br />
= OH ∧ F<br />
π<br />
O<br />
−→<br />
M ( F<br />
→ ) 0<br />
H<br />
A<br />
→<br />
F<br />
(Δ)<br />
5.2 Moment d’une force par rapport à un axe<br />
→<br />
u<br />
Soit O un point sur l’axe ( Δ) et vecteur unitaire porté par cet axe.<br />
On détermine le moment par rapport au point O, noté :<br />
−→<br />
M ( F<br />
→ ) /<br />
O<br />
, sa projection sur<br />
l’axe (Δ) est donnée par :<br />
→ →<br />
⎛<br />
⎞<br />
= • u ⎟ u<br />
⎝<br />
⎠<br />
−→ →<br />
−→ →<br />
M ( F) /<br />
Δ ⎜ M ( F) /<br />
O<br />
−→<br />
M ( F<br />
→ )<br />
0<br />
−→ →<br />
O M<br />
→<br />
u<br />
(F) / Δ<br />
A<br />
(Δ)<br />
→<br />
F<br />
81
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A.KADI<br />
5.3 Théorème de VARIGNON<br />
Le moment d’un système de forces concourantes en un point A par rapport à un point O est<br />
égal au moment de la résultante des forces par rapport au point O.<br />
Dans les deux cas de figure nous montrerons que le moment résultant est égal au moment de<br />
la résultante des forces du système.<br />
→<br />
x<br />
→<br />
z<br />
O<br />
→<br />
F<br />
1<br />
A<br />
→<br />
F<br />
n<br />
→<br />
F<br />
→<br />
y<br />
2<br />
→<br />
F 3<br />
→<br />
R<br />
→<br />
F 1<br />
→<br />
x<br />
→<br />
z<br />
O<br />
M 1<br />
→<br />
y<br />
A<br />
→<br />
F n<br />
M 2<br />
M<br />
n<br />
→<br />
F<br />
M 3<br />
2<br />
→<br />
R<br />
→<br />
F 3<br />
figure :a<br />
figure :b<br />
Figure a : Nous avons R<br />
→ = ∑ F → i<br />
(A) et le moment au point O est donné par :<br />
−→ →<br />
−→ → −−→ → −−→ →<br />
( R)<br />
/ O<br />
M<br />
i<br />
( Fi<br />
) = ( OA∧<br />
F1<br />
+ OA∧<br />
F2<br />
i<br />
i<br />
M = ∑ + ........................<br />
+ OA∧<br />
Fn<br />
−→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
M ( R)<br />
/ O<br />
= ( OA∧<br />
( F1<br />
+ F2<br />
+ ........................ + Fn<br />
)<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
−→ →<br />
M ( R)<br />
/ O<br />
−−→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
= OA∧<br />
∑ F = OA∧<br />
R<br />
i<br />
i<br />
→ = ∑ →<br />
(<br />
i<br />
i<br />
Figure b : Nous avons R F i<br />
M )<br />
−−→<br />
−→ −−→<br />
= OA+<br />
1<br />
−−→<br />
−−→<br />
OM<br />
1<br />
AM , OM<br />
2<br />
= OA+<br />
AM<br />
2<br />
, ………… OM<br />
−→<br />
−−→<br />
n<br />
−→ −−→<br />
= OA+<br />
AM<br />
n<br />
∑<br />
i<br />
∑<br />
i<br />
→<br />
−−→ → −−→ →<br />
i<br />
( Fi<br />
)<br />
/ O<br />
= OM<br />
1∧<br />
F1<br />
+ OM<br />
2<br />
∧ F2<br />
−−→<br />
M + ............................<br />
+ OM<br />
→<br />
−−→ −−→ → −−→ −−→ →<br />
i<br />
( Fi<br />
)<br />
/ O<br />
= ( OA+<br />
AM<br />
1)<br />
∧ F1<br />
+ ( OA+<br />
AM<br />
2<br />
) ∧ F2<br />
n<br />
→<br />
∧ F<br />
M + ....................... + ( OA+<br />
AM ) ∧ F<br />
−−→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
Or AM<br />
i//<br />
Fi<br />
=====> AM<br />
i<br />
∧ Fi<br />
= 0 ; on obtient finalement :<br />
∑<br />
i<br />
→ → −−→ → →<br />
→ −−→ → → →<br />
M<br />
i<br />
( F i )<br />
/ O<br />
= OA∧<br />
( F1<br />
+ F2<br />
+ ....................... + Fn<br />
) = OA∧<br />
R = M ( R)<br />
/ O<br />
→<br />
n<br />
−−→<br />
−−→<br />
n<br />
→<br />
n<br />
82
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
5.4. Moment d’un couple de forces<br />
Un couple de force est défini par deux forces de même module, de sens opposée et portées par<br />
deux droites parallèles tel que : F<br />
1<br />
= − F2<br />
; F1<br />
= F2<br />
∑<br />
i<br />
→<br />
→ → → →<br />
M<br />
i<br />
( Fi<br />
)<br />
/ O<br />
= M<br />
1(<br />
F1<br />
)<br />
/ O<br />
+ M<br />
2<br />
( F2<br />
)<br />
/ O<br />
→<br />
−−→ → −−→ → −−→ −−→ →<br />
= OA1 ∧ F1<br />
+ OA2<br />
∧ F2<br />
= ( −OA1<br />
+ OA2<br />
) ∧ F2<br />
→<br />
∑ M →<br />
i<br />
( Fi<br />
)<br />
/ O<br />
i<br />
= A<br />
−−→<br />
∧<br />
→<br />
1A2<br />
F2<br />
→<br />
F<br />
1<br />
→<br />
z 0<br />
A<br />
A 2<br />
→<br />
F<br />
2<br />
→<br />
x 0<br />
O<br />
→<br />
y<br />
0<br />
La somme des forces, est nulle mais le moment n’est pas nul. Un couple de force produit<br />
uniquement un mouvement de rotation. Le moment d’un couple est indépendant du point où<br />
on le mesure, il dépend uniquement de la distance qui sépare les deux droites supports des<br />
deux forces.<br />
• Un couple ne peut jamais être remplacé par une force unique ;<br />
• Un système force couple tel que<br />
→ →<br />
M ⊥ F peut toujours se réduire en une résultante<br />
unique. On choisit la résultante des forces au point O où s’applique le moment de telle<br />
sorte que son propre moment soit nul et le moment en ce point serait égal à la somme des<br />
moments de toutes les forces du système.<br />
→<br />
F 1<br />
A 1<br />
→<br />
F 3<br />
O<br />
A 3<br />
A 2<br />
→<br />
F 2<br />
→<br />
F 1<br />
→<br />
M 2<br />
→<br />
F 3<br />
O<br />
→<br />
M 1<br />
→<br />
F 2<br />
→<br />
M 3<br />
→<br />
M 0<br />
O<br />
→<br />
R<br />
83
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
6. Statique du solide<br />
Tous les solides que nous étudierons dans ce chapitre sont considérés indéformables : la<br />
distance entre deux points du même solide reste constante quels que soit les systèmes de<br />
forces extérieures appliqués.<br />
→ → →<br />
(<br />
1 2 3<br />
On considère un solide (S) quelconque soumis à des forces : F , F F .........., ) appliquées<br />
→<br />
F n<br />
aux points :<br />
( M , M<br />
2<br />
, M<br />
3,.............<br />
M<br />
1 n<br />
)<br />
6.1. Equilibre du solide<br />
Pour que le solide soit en équilibre statique il faut et il suffit que :<br />
- La résultante de toutes les forces extérieures appliquées au solide, soit nulle ;<br />
- Le moment résultant de toutes ces forces en un point O, soit nul.<br />
→<br />
z 0<br />
→<br />
F n<br />
→<br />
F 1<br />
A 1<br />
A n<br />
A 3 A 2<br />
→<br />
F 2<br />
→<br />
x 0<br />
O<br />
→<br />
F 3<br />
→<br />
y 0<br />
• R<br />
→ = ∑ F →<br />
i =<br />
→<br />
0<br />
i<br />
−→<br />
−−−→<br />
→<br />
• M<br />
/ O<br />
= ∑ M ( F i<br />
) = 0<br />
/ O<br />
i<br />
Un solide (S), soumis à des actions mécaniques extérieures est en équilibre statique si et<br />
seulement si le torseur représentant l’ensemble de ces actions est un torseur nul.<br />
Ces deux équations vectorielles se traduisent par les six équations scalaires suivantes :<br />
⎧R<br />
=<br />
→ ⎪<br />
= →<br />
x<br />
0<br />
R 0 ⇒ ⎨Ry<br />
= 0 et<br />
⎪<br />
⎩Rz<br />
= 0<br />
⎧M<br />
=<br />
−→<br />
⎪<br />
= →<br />
x<br />
0<br />
M<br />
/ O<br />
0 ⇒ ⎨M<br />
y<br />
= 0<br />
⎪<br />
⎩M<br />
z<br />
= 0<br />
Le système est complètement déterminé si le nombre d’inconnues est égal au nombre<br />
d’équations indépendantes.<br />
84
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A.KADI<br />
6.2.Equilibre d’un solide dans un plan<br />
Dans le cas d’un solide soumis à des forces coplanaires, le système précédent se réduit à trois<br />
équations scalaires.<br />
Soit (xoy) , le plan contenant les forces appliquées au solide, nous avons alors :<br />
z = 0 et Fz<br />
= 0 ⇔ M<br />
x<br />
= M<br />
y<br />
= 0 et<br />
z<br />
= M<br />
O<br />
Les équations d’équilibre se réduisent à :<br />
M<br />
/<br />
R<br />
x<br />
= ∑ F ix<br />
= 0 ; R<br />
y<br />
= ∑ F iy<br />
= 0 ;<br />
i<br />
i<br />
M<br />
/ O<br />
= ∑ M iz<br />
= 0<br />
i<br />
⎧Fix<br />
→<br />
−→<br />
⎪<br />
F<br />
i<br />
= ⎨Fiy<br />
; OA<br />
i<br />
⎪<br />
⎩ 0<br />
−→<br />
M<br />
i / O<br />
−→<br />
→<br />
= OA ∧ F<br />
M<br />
/O<br />
= ∑ M i/O<br />
i<br />
i<br />
i<br />
⎧xi<br />
⎪<br />
= ⎨yi<br />
⎪<br />
⎩ 0<br />
⎧xi<br />
⎧Fix<br />
⎪ ⎪<br />
= ⎨yi<br />
∧ ⎨Fiy<br />
⎪ 0 ⎪<br />
⎩ ⎩ 0<br />
= 0<br />
⎧<br />
⎪<br />
= ⎨<br />
⎪<br />
⎩xi<br />
F<br />
iy<br />
0<br />
0<br />
− y F<br />
i<br />
ix<br />
= M<br />
iz<br />
→<br />
F 1<br />
O<br />
→<br />
y<br />
A 1<br />
→<br />
F n<br />
A 2<br />
A n<br />
→<br />
x<br />
→<br />
F<br />
2<br />
6.3. Réactions aux appuis et aux liaisons à deux dimensions<br />
6.3.1. Appui simple d’un solide sur une surface parfaitement lisse<br />
Les contacts entre les solides sont ponctuels.<br />
Soit (S) un solide reposant sur une surface (P) , on dit que le point A du solide est un point<br />
d’appui s’il reste continuellement en contact de la surface (P). Si le plan (P) est parfaitement<br />
lisse alors la force de liaison (la réaction R → ) au point de contact est normale à ce plan.<br />
→<br />
R<br />
→<br />
R<br />
B<br />
→<br />
R<br />
B<br />
→<br />
R<br />
A<br />
A<br />
A<br />
85
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A.KADI<br />
6.3.2. Articulation d’un solide<br />
Un point A d’un solide est une articulation lorsqu’il reste en permanence en un point fixe de<br />
l’espace.<br />
a) Liaison verrou (Articulation cylindrique)<br />
Les solides sont en contact entre eux suivant une surface cylindrique. Le solide<br />
S 2<br />
a deux<br />
degrés de liberté par rapport au solide ( ) : Une translation suivant l’axe Az, et une rotation<br />
autour du même axe.<br />
( S 1<br />
)<br />
→<br />
x<br />
(S 1 )<br />
A<br />
(S 2 )<br />
→<br />
z<br />
→<br />
y<br />
A<br />
→<br />
R y<br />
→<br />
R x<br />
→<br />
x<br />
→<br />
y<br />
A<br />
→<br />
R<br />
y<br />
→<br />
R x<br />
→<br />
x<br />
→<br />
y<br />
→ → →<br />
A<br />
= RAx<br />
+ RAy<br />
→ →<br />
R avec = 0 La réaction suivant l’axe de l’articulation (Az) est nulle.<br />
R Az<br />
b) Liaison rotule (Articulation sphérique)<br />
→<br />
z<br />
A<br />
→<br />
x<br />
A<br />
R<br />
→<br />
Ax<br />
R<br />
→<br />
Az<br />
R<br />
→<br />
Ay<br />
→<br />
y<br />
Liaison sphérique : 3 degrés de liberté (rotations)<br />
La réaction au point A de l’articulation sphérique a trois composantes :<br />
→<br />
R<br />
A<br />
→ → →<br />
= RAx<br />
+ RAy<br />
+ RAz<br />
c) Encastrement d’un solide<br />
On dit qu’un solide est encastré lorsqu’il ne peut plus changer de position quels que soit les<br />
forces extérieures appliquées. Cette liaison est représentée par deux grandeurs :<br />
→<br />
R : la résultante des forces extérieures appliquées au solide et actives au point A<br />
−<br />
/<br />
: le moment résultant des forces extérieures appliquées au solide par rapport au point A<br />
M →<br />
A<br />
86
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
R<br />
→ = ∑ F →<br />
i<br />
i<br />
−→<br />
M / A<br />
=<br />
∑<br />
i<br />
−−→<br />
→<br />
AM ∧ F<br />
i<br />
i<br />
→<br />
x<br />
→<br />
z<br />
A<br />
−→<br />
M<br />
→<br />
R<br />
/ A<br />
→<br />
F<br />
1<br />
→<br />
F<br />
2<br />
→<br />
F<br />
n<br />
→<br />
y<br />
d) Combinaisons de liaisons<br />
Avec ces différents types de liaisons (Appui simple, articulation cylindrique, articulation<br />
sphérique et encastrement) nous pouvons réaliser des comobinaisons qui permettent de<br />
réaliser montages mécaniques statiquement déterminés.<br />
Exemples:<br />
(1) Appui simple deux fois<br />
(2) Appui simple et une articulation<br />
(4) Encastrement et appui simple<br />
(3) Encastrement seul<br />
Ces combinaisons sont dites isostatiques (statiquement déterminées) si le nombre d’inconnues<br />
est inférieures au nombre d’équations indépendantes qu’on peut établir. Certaines<br />
combinaisons ne sont pas autorisées et ne peuvent trouver la solution par la statique seule.<br />
Exemples : 2 appuis articulés, une articulation et un encastrement, encastrement deux fois.<br />
Certaines combinaisons sont hyperstatiques, elles ne peuvent trouver solution par<br />
la statique.<br />
87
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exemple : appui simple trois fois<br />
Nous représentons dans le tableau ci dessous les différents types d’appuis et de liaisons et les<br />
composantes des réactions associées à celles-ci.<br />
Type de liaisons<br />
Appui simple rouleau ou<br />
Surface lisse sans frottement :<br />
Appui simple avec frottements<br />
Articulation cylindrique d’axe Oz<br />
Articulation sphérique<br />
Encastrement<br />
Composantes de la réaction<br />
→<br />
R : la réaction est normale au point d’appui.<br />
→<br />
→<br />
R , : deux composantes dans le plan de contact<br />
→<br />
x<br />
R y<br />
→<br />
→ →<br />
R , avec = 0 ; La composante suivant l’axe<br />
x<br />
R y<br />
R z<br />
de l’articulation est nulle<br />
→<br />
x<br />
→<br />
y<br />
→<br />
R , R , R : trois composantes<br />
→<br />
x<br />
→<br />
y<br />
z<br />
→<br />
R , R , R et trois composantes plus le<br />
z<br />
→<br />
M / A<br />
moment au point d’encastrement.<br />
88
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
EXERCICES SOLUTIONS<br />
Exercice 01 :<br />
Déterminer les tensions des câbles dans les figures suivantes :<br />
A<br />
40° 20° B<br />
A<br />
70°<br />
C<br />
400N<br />
C<br />
10°<br />
B<br />
Solution :<br />
Figure 1 :<br />
Au point C nous avons :<br />
→<br />
T<br />
CA<br />
→<br />
→<br />
→<br />
+ T + P = 0<br />
CB<br />
La projection sur les axes donne :<br />
− T<br />
T<br />
CA<br />
CA<br />
cos 40° + T cos 20°<br />
= 0<br />
CB<br />
sin 40° + T sin 20° − P = 0<br />
CB<br />
60Kg<br />
figure: 1 figure : 2<br />
40° → →<br />
A T CA T<br />
40°<br />
C<br />
y<br />
→<br />
P<br />
CB<br />
20°<br />
20° B<br />
x<br />
d’où : T<br />
CA<br />
= 354 N . T<br />
CB<br />
= 288, 5 N<br />
Figure 2 :<br />
Au point C nous avons :<br />
y<br />
→<br />
T<br />
CA<br />
→<br />
→<br />
→<br />
+ T + P = 0<br />
CB<br />
La projection sur les axes donne :<br />
− T<br />
T<br />
CA<br />
CA<br />
sin 70° + T cos10°<br />
= 0<br />
CB<br />
cos 70° − T sin10° − P = 0<br />
CB<br />
d’où : T<br />
CA<br />
= 3390 N ; T<br />
CB<br />
= 3234 N<br />
A<br />
→<br />
T CA<br />
70°<br />
C<br />
P<br />
10°<br />
T<br />
→<br />
CB<br />
B<br />
x<br />
89
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 02 :<br />
Une barre homogène pesant 80 N est liée par une articulation cylindrique en son extrémité A<br />
à un mur. Elle est retenue sous un angle de 60° avec la verticale par un câble inextensible de<br />
masse négligeable à l’autre extrémité B. Le câble fait un angle de 30° avec la barre.<br />
Déterminer la tension dans le câble et la réaction au point A.<br />
y<br />
C<br />
C<br />
Solution :<br />
A<br />
30°<br />
60°<br />
B<br />
A<br />
→<br />
R<br />
A<br />
60°<br />
D 30°<br />
→<br />
P<br />
→<br />
T<br />
B<br />
x<br />
Le système est en équilibre statique dans le plan (xoy), nous avons alors :<br />
∑<br />
i<br />
∑<br />
i<br />
→ =<br />
→<br />
i<br />
→<br />
R A<br />
→<br />
F 0 ⇔ + T + P = 0 (1)<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
M<br />
i / A<br />
= 0 ⇔ AB∧ T + AD∧<br />
P = 0 (2)<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
⎧L<br />
cos30°<br />
−→<br />
⎧(<br />
L / 2)cos30°<br />
→⎧<br />
AB ⎨ ; AD⎨<br />
; P⎨<br />
0 →<br />
; T<br />
⎩Lsin 30°<br />
⎩(<br />
L / 2)sin 30°<br />
⎩−<br />
P ⎩ ⎨⎧ − T cos60°<br />
T sin 60°<br />
L’équation (1) projetée sur les axes donne : R Ax<br />
− T cos 60°<br />
= 0 (3)<br />
R Ay<br />
+ T sin 60° − P = 0 (4)<br />
L’équation (2) s’écrira :<br />
⎛ L cos30°<br />
⎞ ⎛−<br />
T cos60°<br />
⎞ ⎛(<br />
L / 2)cos30°<br />
⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛0⎞<br />
⎜ ⎟ ∧ ⎜ ⎟ + ⎜<br />
⎟ ∧ ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟<br />
⎝ Lsin 30°<br />
⎠ ⎝ T sin 60°<br />
⎠ ⎝ ( L / 2)sin 30°<br />
⎠ ⎝−<br />
P⎠<br />
⎝0⎠<br />
PL<br />
LT cos 30°<br />
s sin 60° + LT cos 60°<br />
sin 30° − cos30°<br />
= 0 (5)<br />
2<br />
90
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
(5) ⇒<br />
P<br />
T = cos30°<br />
= 34,64N<br />
2<br />
(3) ⇒ R AX<br />
= T cos 60°<br />
= 17, 32N<br />
(4) ⇒ R Ay<br />
= P − T sin 60°<br />
= 30N<br />
d’où<br />
2 2<br />
RA = RAx<br />
+ RAY<br />
= 34. 64N<br />
et l’angle que fait la réaction avec l’axe ox est donné par :<br />
RAx<br />
cos θ = = 0,5 ⇒ θ = 60°<br />
R<br />
A<br />
Exercice 03 :<br />
On maintient une poutre en équilibre statique à l’aide d’une charge P suspendue à un câble<br />
inextensible de masse négligeable, passant par une poulie comme indiqué sur la figure. La<br />
poutre a une longueur de 8m et une masse de 50 Kg et fait un angle de 45° avec l’horizontale<br />
et 30° avec le câble.<br />
Déterminer la tension dans le câble ainsi que la grandeur de la réaction en A ainsi que sa<br />
direction par rapport à l’horizontale.<br />
y<br />
50Kg<br />
A<br />
→<br />
R<br />
A<br />
→<br />
T<br />
30°<br />
G<br />
45°<br />
→<br />
P<br />
B<br />
x<br />
50Kg<br />
A<br />
30°<br />
45°<br />
B<br />
Solution :<br />
Toutes les forces agissant sur la poutre sont dans le plan (xoy) . Le système est en équilibre<br />
statique d’où<br />
∑<br />
i<br />
∑<br />
i<br />
→ =<br />
→<br />
i<br />
→<br />
R A<br />
→<br />
F 0 ⇔ + T + P = 0 (1)<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
M<br />
i / A<br />
= 0 ⇔ AB∧<br />
T + AG∧<br />
P = 0 (2)<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
91
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Nous avons T = P , et<br />
4 2<br />
AB ⎨ ;<br />
⎩4<br />
2<br />
−→ ⎧<br />
−→ ⎧<br />
→<br />
2 2 ⎧<br />
AG ⎨ ; P⎨<br />
0 →<br />
; T ;<br />
⎩2<br />
2 ⎩−<br />
P ⎩ ⎨⎧ − T cos15°<br />
− T sin15°<br />
L’équation (1) projetée sur les axes donne : R Ax<br />
− T cos 15°<br />
= 0 (3)<br />
→<br />
R<br />
A<br />
⎧R<br />
⎨<br />
⎩R<br />
Ax<br />
Ay<br />
R Ay<br />
− T sin 15° − P = 0 (4)<br />
L’équation (2) s’écrira :<br />
⎛4<br />
⎜<br />
⎝4<br />
2 ⎞ ⎛−<br />
T cos15°<br />
⎞ ⎛<br />
⎜ ⎟ + ⎜<br />
2<br />
⎟<br />
∧<br />
2<br />
⎠ ⎝ − T sin15°<br />
⎠ ⎝2<br />
2 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛0⎞<br />
⎟<br />
∧ ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟<br />
2 ⎠ ⎝−<br />
P⎠<br />
⎝0⎠<br />
− 4 T 2 sin15° + 4T<br />
2 cos15° − 2P<br />
2 = 0<br />
(5)<br />
2P<br />
2<br />
T =<br />
⇒ T = 353,55N<br />
4 2(cos15° − sin15°<br />
)<br />
(3) ⇒ R Ax<br />
= 341, 50N<br />
et (4) ⇒ R Ay<br />
= 591, 50N<br />
d’où<br />
2 2<br />
RA = RAx<br />
+ RAY<br />
= 683N<br />
et l’angle que fait la réaction avec l’axe ox est donné par :<br />
RAx<br />
cos θ = = 0,577 ⇒ θ = 54, 76°<br />
R<br />
A<br />
Exercice 04 :<br />
La barre AB=L est liée en A par une articulation cylindrique et à son extrémité B, elle repose<br />
sur un appui rouleau. Une force de 200 N agit en son milieu sous un angle de 45° dans le plan<br />
vertical. La barre a un poids de 50 N.<br />
Déterminer les réactions aux extrémités A et B.<br />
A<br />
B<br />
x<br />
A<br />
→<br />
R<br />
A<br />
G<br />
→<br />
F<br />
→<br />
P<br />
45°<br />
B<br />
→<br />
R<br />
B<br />
x<br />
Solution :<br />
Toutes les forces agissant sur la poutre sont situées dans le plan (xoy) . Le système est en<br />
équilibre statique, nous avons alors :<br />
92
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
∑<br />
i<br />
∑<br />
i<br />
→ =<br />
→<br />
i<br />
→<br />
→<br />
→<br />
F 0 ⇔ R + R + F+<br />
P = 0<br />
(1)<br />
−→<br />
→<br />
A<br />
−→<br />
B<br />
→<br />
−→<br />
M<br />
i / A<br />
= 0 ⇔ AB∧ RB<br />
+ AG∧<br />
F+<br />
AG∧<br />
P = 0 (2)<br />
La projection de l’équation (1) sur les axes donne :<br />
R Ax<br />
− F cos 45°<br />
= 0<br />
(3)<br />
RAy + RB<br />
− F sin 45° − P = 0<br />
(4)<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
En développant l’équation (2) on aboutit à :<br />
⎛ L⎞<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ L / 2⎞<br />
⎜ ⎟ ∧ ⎜ ⎟ + ⎜<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝ RB<br />
⎠ ⎝ 0<br />
⎟ ∧<br />
⎠<br />
⎛−<br />
F cos45°<br />
⎞ ⎛ L / 2⎞<br />
⎜ ⎟ + ⎜<br />
⎝ − F sin 45°<br />
⎠ ⎝ 0<br />
→<br />
⎟ ∧<br />
⎠<br />
→<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜ ⎟ = 0<br />
⎝−<br />
P⎠<br />
L<br />
L<br />
F 2 P<br />
LR B<br />
− F cos 45° − P = 0 ⇔ R B<br />
− − = 0 (5)<br />
2<br />
2<br />
4 2<br />
(5) ⇒ R B<br />
= 95, 71 N<br />
(3) ⇒ R Ax<br />
= 141, 42 N<br />
2 2<br />
(4) ⇒ R Ay<br />
= 95, 71 N ; d’où RA = RAx<br />
+ RAy<br />
= 170, 76N<br />
Exercice 05 :<br />
Une échelle de longueur 20 m pesant 400 N est appuyée contre un mur parfaitement lisse en<br />
un point situé à 16 m du sol. Son centre de gravité est situé à 1/3 de sa longueur à partir du<br />
bas. Un homme pesant 700 N grimpe jusqu’au milieu de l’échelle et s’arrête. On suppose que<br />
le sol est rugueux et que le système reste en équilibre statique.<br />
Déterminer les réactions aux points de contact de l’échelle avec le mur et le sol.<br />
B<br />
y<br />
B<br />
→<br />
R A<br />
G<br />
C<br />
→<br />
R B<br />
A<br />
→<br />
Q<br />
→<br />
P A<br />
O x<br />
93
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
OB 16<br />
AB=L =20 m , OB=16 m, Q =700 N , P =400 N, sin α = = = 0, 8 ⇒ α = 53, 13°<br />
AB 20<br />
L’échelle est en équilibre statique. La résultante des forces est nulle. Le moment résultant par<br />
rapport au point A est aussi nul.<br />
∑<br />
i<br />
→ =<br />
→<br />
i<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
F 0 ⇒ R + R + Q+<br />
P = 0<br />
(1)<br />
A<br />
B<br />
→<br />
∑<br />
i<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
M<br />
i / A<br />
= 0 ⇒ AB∧ R + AG∧<br />
Q+<br />
AC∧<br />
P = 0<br />
(2)<br />
B<br />
→<br />
Nous avons aussi :<br />
−→<br />
⎛− L cosα<br />
⎞<br />
−→<br />
⎛− ( L / 2)cosα<br />
⎞<br />
−→<br />
⎛− ( L / 3)cosα<br />
⎞<br />
→<br />
⎛ R ⎞<br />
→<br />
B ⎛ 0 ⎞<br />
AB ⎜ ⎟ ; AG⎜<br />
⎟ ; AG⎜<br />
⎟ ; RB<br />
⎜ ⎟ ; Q ⎜ ⎟ ;<br />
⎝ Lsinα<br />
⎠ ⎝ ( L / 2)sinα<br />
⎠ ⎝ ( L / 3)sinα<br />
⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝−<br />
Q⎠<br />
La projection de l’équation (1) sur les axes donne les équations scalaires :<br />
− R + R = 0 (3)<br />
Ax<br />
B<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→⎛<br />
⎞<br />
P⎜<br />
0 ⎟<br />
⎝−<br />
P⎠<br />
R Ay<br />
− Q − P = 0 (4)<br />
En développant l’équation (2), on aboutit à :<br />
⎛− L cosα<br />
⎞ ⎛ R<br />
⎜ ⎟ ∧ ⎜<br />
⎝ Lsinα<br />
⎠ ⎝ 0<br />
B<br />
⎞ ⎛− ( L / 2)cosα<br />
⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛− ( L / 3)cosα<br />
⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛0⎞<br />
⎟ + ⎜<br />
⎟ ∧ ⎜ ⎟ + ⎜<br />
⎟ ∧ ⎜ ⎟ = ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ ( L / 2)sinα<br />
⎠ ⎝−<br />
Q⎠<br />
⎝ ( L / 3)sinα<br />
⎠ ⎝−<br />
P⎠<br />
⎝0⎠<br />
L L<br />
− R B<br />
Lsin α + Q cosα<br />
+ P cosα<br />
= 0 (5)<br />
2 3<br />
cosα<br />
⎛ Q P ⎞<br />
(5) ⇒ R B<br />
= ⎜ + ⎟<br />
sin α ⎝ 2 3 ⎠<br />
(3) ⇒ R = R = 362, N<br />
Ax B<br />
5<br />
d’où<br />
R B<br />
= 362, 5N<br />
(4) ⇒ R Ay<br />
= 1100N<br />
; on déduit : R A<br />
= 1158, 34N<br />
Exercice 06 :<br />
On applique trois forces sur une poutre de masse négligeable et encastrée au point A.<br />
Déterminer la réaction à l’encastrement.<br />
A<br />
800N<br />
400N<br />
1,5m 2,5m 2m<br />
200N<br />
94
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 07 :<br />
Un plaque carrée de coté a, de poids P est fixée à un mur à l’aide d’une articulation sphérique<br />
au point A et d’une articulation cylindrique au point B. Un câble CD inextensible et de masse<br />
négligeable maintient la plaque en position horizontale. Une charge Q = 2P est suspendue au<br />
a<br />
point E de la plaque. Les données sont : b = ; α = 30°<br />
3<br />
Déterminer les réactions des articulations en A et B ainsi que la tension dans le câble en<br />
fonction de a et P<br />
D<br />
z<br />
D<br />
z<br />
a<br />
30°<br />
A<br />
b<br />
B<br />
E<br />
C<br />
b<br />
y<br />
a<br />
30°<br />
A<br />
→<br />
P<br />
G<br />
E<br />
b<br />
B<br />
→<br />
T<br />
b<br />
C<br />
y<br />
x<br />
Q<br />
x<br />
→<br />
Q<br />
Solution :<br />
La plaque est en équilibre statique dans le plan horizontale, nous pouvons écrire :<br />
∑<br />
i<br />
∑<br />
i<br />
→ =<br />
→<br />
i<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
F 0 ⇒ R + R + T + Q+<br />
P = 0<br />
(1)<br />
−→<br />
→<br />
A<br />
−→<br />
B<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
M<br />
i / A<br />
= 0 ⇒ AB∧ R + AC∧<br />
T + AE∧<br />
Q+<br />
AG∧<br />
P = 0 (2)<br />
Articulation sphérique en A :<br />
B<br />
R , R , R<br />
Ax<br />
Ay<br />
Az<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
Articulation cylindrique en B et d’axe y:<br />
R , 0,<br />
R<br />
Bx<br />
Bz<br />
Le triangle ACD est rectangle en A , et l’angle (DA,DC) = 30° alors l’angle (CA,CD)=60°<br />
La tension aura pour composantes :<br />
⎛−<br />
T cos60cos 45⎞<br />
⎛−<br />
( T<br />
→ ⎜<br />
⎟ ⎜<br />
T = ⎜ − T cos60sin 45 ⎟ = ⎜−<br />
( T<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎜<br />
⎝ T sin 60 ⎠ ⎝<br />
( T<br />
2) / 4<br />
2) / 4<br />
3) / 2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
95
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛a⎞<br />
⎛ a ⎞<br />
→⎜<br />
⎟ →⎜<br />
⎟ −→ ⎜ ⎟ −→ ⎜ ⎟ −→ ⎜ ⎟<br />
Q⎜<br />
0 ⎟ ; P⎜<br />
0 ⎟ ; AB⎜2a<br />
/ 3⎟<br />
; AC⎜a⎟<br />
; AB⎜2a / 3⎟<br />
;<br />
⎜ ⎟<br />
⎝−<br />
2P<br />
⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝−<br />
P ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ 0 ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝0<br />
⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ 0 ⎠<br />
Projetons l’équation (1) sur les axes du repère :<br />
⎛a<br />
/ 2⎞<br />
−→ ⎜ ⎟<br />
AB⎜a<br />
/ 2⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 0 ⎠<br />
RAx + RBx<br />
− ( T 2) / 4 = 0<br />
(3)<br />
R Ay<br />
− ( T 2) / 4 = 0<br />
(4)<br />
RAz + RBz<br />
− ( T 3) / 2 − 2P<br />
− P = 0 (5)<br />
L’équation (2) se traduira par :<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ R<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎜2a<br />
/ 3⎟<br />
∧ ⎜ 0<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝ R<br />
Bx<br />
Bz<br />
⎞ ⎛a⎞<br />
⎛−<br />
( T<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟ + ⎜a⎟<br />
∧ ⎜−<br />
( T<br />
⎟ ⎜ ⎟<br />
⎜<br />
⎠ ⎝ 0⎠<br />
⎝<br />
( T<br />
2) / 4<br />
2) / 4<br />
3) / 2<br />
⎞ ⎛ a ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛a<br />
/ 2⎞<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛0<br />
⎟<br />
⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎟ + ⎜2a<br />
/ 3⎟<br />
∧ ⎜ 0 ⎟ + ⎜a<br />
/ 2⎟<br />
∧ ⎜ 0 ⎟ = ⎜0⎟<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝−<br />
2P⎠<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝−<br />
P⎠<br />
⎝0⎠<br />
Le développement de ce produit vectoriel donnera trois équations :<br />
2a<br />
3 4aP<br />
aP<br />
RBz + aT − − = 0 (6)<br />
3 2 3 2<br />
3 aP<br />
− aT + 2aP<br />
+ = 0<br />
(7)<br />
2 2<br />
2a<br />
−<br />
3<br />
RBx<br />
= 0<br />
(8)<br />
La résolution de ce système d’équations donne :<br />
5 3<br />
(8) ⇒ RBx<br />
= 0 ; (7) ⇒ T = P ; (6) ⇒ R Bz<br />
= −P<br />
3<br />
3<br />
5 6<br />
5 6<br />
(5) ⇒ R Az<br />
= P ; (4) ⇒ R Ay<br />
= P ; (3) ⇒ R Ax<br />
= P<br />
2<br />
12<br />
12<br />
R A<br />
= 17, 39P et R B<br />
= P<br />
Exercice 08 :<br />
Une enseigne lumineuse rectangulaire de densité uniforme de dimension 1,5 x 2,4 m pèse<br />
120 Kg. Elle est liée au mûr par une articulation sphérique et deux câbles qui la maintienne<br />
en position d’équilibre statique, comme indiqué sur la figure. Déterminer les tensions dans<br />
chaque câble et la réaction au point A.<br />
96
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
On donne : C(0 ; 1,2 ; --2,4) , D(0 ; 0,9 ; 0,6).<br />
y<br />
C<br />
D<br />
A<br />
B<br />
x<br />
1,8 m 0,6 m<br />
Exercice 09 :<br />
z<br />
Une porte métallique rectangulaire de densité uniforme de dimensions a x b, de poids P , est<br />
maintenue en position verticale par deux articulations, l’une sphérique au point O et l’autre<br />
cylindrique au point A . Une force F est appliquée perpendiculairement au plan de la porte au<br />
point C milieu de la longueur. Afin de maintenir cette porte en position fermée, on applique<br />
un moment M −→<br />
au point A. Déterminer les réactions aux niveau des articulation O et A ainsi<br />
que la force F nécessaire pour ouvrir la porte. On donne : a = 2m, b = 3m, BC= b/2,<br />
M = 400N, P = 800N<br />
B<br />
a<br />
y<br />
A<br />
−→<br />
M<br />
B<br />
a<br />
y<br />
A<br />
−→<br />
M<br />
z<br />
C<br />
→<br />
F<br />
b<br />
O<br />
x<br />
z<br />
C<br />
→<br />
F<br />
G<br />
→<br />
P<br />
b<br />
O<br />
x<br />
Solution :<br />
⎛ ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞<br />
−→ ⎜ ⎟ −→ ⎜ ⎟ −→ ⎜ ⎟<br />
Nous avons : OA = ⎜b⎟<br />
; OG = ⎜b<br />
/ 2⎟<br />
; OC = ⎜b / 2⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝0<br />
⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝a<br />
/ 2 ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ a ⎠<br />
97
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ F ⎞ ⎛ RAx<br />
⎞<br />
−→ ⎜ ⎟ → ⎜ ⎟ → ⎜ ⎟ → ⎜ ⎟<br />
Et aussi : M = ⎜−<br />
M ⎟ ; P = ⎜−<br />
P⎟<br />
; F = ⎜ 0 ⎟ ; RO<br />
= ⎜ RAy<br />
⎟ ;<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 0 ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ 0 ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ 0 ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ RAz<br />
⎠<br />
La porte est en équilibre statique, nous pouvons écrire :<br />
∑<br />
i<br />
∑<br />
i<br />
→ =<br />
→<br />
i<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎛ R<br />
→ ⎜<br />
RA<br />
= ⎜ 0<br />
⎜<br />
⎝ R<br />
F 0 ⇒ R + R + F + P = 0<br />
(1)<br />
−→<br />
→<br />
O<br />
A<br />
M<br />
/<br />
= 0 ⇒ OA∧ R + OC∧<br />
F+<br />
OG∧<br />
P = 0<br />
(2)<br />
i<br />
O<br />
−→<br />
Projetons l’équation (1) sur les axes du repère :<br />
→<br />
B<br />
−→<br />
ROx + RAx<br />
+ F = 0<br />
(3)<br />
R Oy<br />
− P = 0<br />
(4)<br />
R R = 0<br />
(5)<br />
Oz<br />
+ Az<br />
L’équation (2) se traduira par :<br />
⎛0⎞<br />
⎛ R<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎜b⎟<br />
∧ ⎜ 0<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎝0⎠<br />
⎝ R<br />
Ax<br />
Az<br />
⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ F ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛0⎞<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎟ + ⎜b<br />
/ 2⎟<br />
∧ ⎜ 0 ⎟ + ⎜b<br />
/ 2⎟<br />
∧ ⎜−<br />
P⎟<br />
+ ⎜−<br />
M ⎟ = ⎜0⎟<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ a ⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝a<br />
/ 2⎠<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝0⎠<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
Ax<br />
Az<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
bR + aP<br />
2 = 0<br />
Az<br />
(6)<br />
aF − M = 0<br />
(7)<br />
− − bF<br />
bR<br />
2 = 0<br />
Ax<br />
(8)<br />
la résolution de ce système d’équation nous donne :<br />
− aP<br />
(4) ⇒ R Oy<br />
= P = 800N<br />
; (6) ⇒ R Az<br />
= = −266,<br />
66N<br />
2b<br />
M<br />
− F<br />
(7) ⇒ F = = 200N<br />
; (8) ⇒ R Ax<br />
= = −100N<br />
a<br />
2<br />
(5) ⇒ ROz = −RAz<br />
= 266, 66N<br />
; (3) ⇒ ROx = −RAx<br />
− F = −100N<br />
on déduit : R O<br />
= 849N ; R A<br />
= 284, 8N<br />
98
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 10 :<br />
Une barre AB de masse négligeable supporte à son extrémité B une charge de 900 N, comme<br />
indiqué sur la figure ci-dessous. Elle est maintenue en A par une articulation sphérique et en<br />
B par deux câbles attachés aux points C et D. Déterminer la réaction au point A et la tension<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛3⎞<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
dans chaque câble. Données : A⎜<br />
−1,,5<br />
⎟ ; B⎜0⎟<br />
; C ⎜ 3 ⎟ ;<br />
⎜ 1 ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝0<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ ⎠ ⎠ ⎝1,5<br />
⎠<br />
Solution :<br />
y<br />
Le système est en équilibre statique. La résultante des fores est nulle et le moment résultant de<br />
⎛<br />
⎜<br />
D⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
toutes les forces par rapport au point A est nul. Nous avons alors :<br />
∑<br />
i<br />
∑<br />
i<br />
→ =<br />
→<br />
i<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0<br />
3<br />
−1,<br />
5<br />
F 0 ⇔ R + T + T + Q = 0<br />
(1)<br />
−→<br />
z<br />
C<br />
A<br />
→<br />
O<br />
D<br />
A<br />
−→<br />
BC<br />
→<br />
BD<br />
−→<br />
B<br />
Q<br />
→<br />
M<br />
i / A<br />
= 0 ⇔ AB∧ RB<br />
+ AB∧<br />
TBC<br />
+ AB∧<br />
TBD<br />
= 0<br />
(2)<br />
x<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
z<br />
C<br />
→<br />
A<br />
y<br />
O<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
T<br />
→<br />
BC<br />
D<br />
T<br />
→<br />
BD<br />
B<br />
Q<br />
x<br />
Noua avons une articulation sphérique en A :<br />
R , R , R<br />
Ax<br />
Ay<br />
Az<br />
Déterminons les composantes des tensions dans les câbles BC et BD :<br />
Les vecteurs unitaires suivant les axes BC et BD sont donnés par :<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
BC − 3 i + 3 j+<br />
1,5 k<br />
→ → →<br />
u BC<br />
= =<br />
= −0,66<br />
i + 0,66 j+<br />
0, 33k<br />
BC 2 2 2<br />
3 + 3 + (1,5)<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
BD − 3 i + 3 j−1,5<br />
k<br />
→ → →<br />
u BD<br />
= =<br />
= −0,66<br />
i + 0,66 j−<br />
0, 33k<br />
BD 2 2 2<br />
3 + 3 + (1,5)<br />
99
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Les tensions dans les deux câbles s’écriront sous la forme :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
BC<br />
= TBC<br />
u<br />
BC<br />
= −0<br />
,66TBC<br />
i + 0,66TBC<br />
j+<br />
0, 33T<br />
BC<br />
k<br />
T<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
BD<br />
= TBD<br />
u<br />
BD<br />
= −0<br />
,66TBD<br />
i + 0,66TBD<br />
j−<br />
0, 33T<br />
BD<br />
k<br />
T<br />
La projection de l’équation (1) sur les axes donne les trois équations scalaires :<br />
R − 0 ,66T<br />
− 0,66T<br />
= 0<br />
(3)<br />
Ax<br />
BC<br />
BD<br />
RAy + 0 ,66TBC<br />
+ 0,66TBD<br />
− Q = 0<br />
(4)<br />
R 0 ,33T<br />
− 0,33T<br />
= 0<br />
(5)<br />
Az<br />
+<br />
BC<br />
BD<br />
L’équation (2) s’écrira :<br />
⎛ 3 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ 3 ⎞ ⎛− 0,66TBC<br />
⎞ ⎛ 3 ⎞ ⎛−<br />
0,66TBD<br />
⎞ ⎛0⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎜1,5<br />
⎟ ∧ ⎜−<br />
Q ⎟ + ⎜1,5<br />
⎟ ∧ ⎜ 0,66TBC<br />
⎟ + ⎜1,5<br />
⎟ ∧ ⎜ 0,66TBD<br />
⎟ = ⎜0⎟<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝−1⎠<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝−1⎠<br />
⎝ 0,33T<br />
BC ⎠ ⎝−1⎠<br />
⎝ − 0,33T<br />
BD ⎠ ⎝0⎠<br />
En développant ce produit vectoriel, nous obtenons les trois équations suivantes :<br />
− Q + ( 1,5 × 0,33) T + 0,66T<br />
− (1,5 × 0,33) T + 0,66T<br />
= 0<br />
(6)<br />
BC<br />
BC<br />
( −3×<br />
0,33) T + 0,66T<br />
+ (3×<br />
0,33) T + 0,66T<br />
= 0<br />
(7)<br />
BC<br />
BC<br />
BD<br />
− 3 Q + (3×<br />
0,66) T + (1,5 × 0,66) T + (3×<br />
0,66) T + (1,5 × 0,66) T = 0 (8)<br />
BC<br />
BC<br />
BD<br />
BD<br />
BD<br />
BD<br />
BD<br />
A partir de l’équation (7) on déduit que :<br />
T = 5T<br />
BC<br />
BD<br />
En remplaçant dans l’équation (6) on obtient :<br />
Q<br />
T BD<br />
= = 160, 43N<br />
5,61<br />
D’où :<br />
T BC<br />
= 802, 15N<br />
(3) R = 0 ,66( T + T ) = 635, N<br />
Ax BC BD<br />
30<br />
(4) R = Q − 0 ,66( T + T ) = 264, N<br />
Ay BC BD<br />
70<br />
(5) R = 0,33(<br />
T − T ) = −156,<br />
N<br />
Az BD BD<br />
70<br />
2 2 2<br />
RA = RAx<br />
+ RAy<br />
+ RAz<br />
= 705, 85N<br />
100
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 11 :<br />
Une plaque triangulaire homogène ABC de poids P est lié à un support fixe par<br />
l’intermédiaire d’une articulation sphérique au point A et cylindrique au point C. On donne<br />
OA=OC=OB = a. La plaque est maintenue en position inclinée d’un angle de α = 30°<br />
par<br />
rapport au plan horizontal (xoz) par un câble inextensible BD, accroché au point D à un mur<br />
vertical. La corde fait un angle de β = 60°<br />
avec la verticale. Une charge de poids Q = 2P est<br />
suspendue au point B∈(yoz).<br />
Le centre de gravité G de la plaque est situé 1/3 de OB à partir de O.<br />
1. Ecrire les équations d’équilibre statique ;<br />
2. Déterminer les réactions des liaisons aux points A et C ainsi que la tension du câble.<br />
y<br />
y<br />
D<br />
β<br />
o<br />
C<br />
x<br />
D<br />
β<br />
o<br />
G<br />
→<br />
T<br />
β<br />
C<br />
x<br />
A<br />
B<br />
α<br />
A<br />
→<br />
P<br />
B<br />
α<br />
Solution :<br />
Nous avons OA = OB = OC = a ;<br />
z<br />
→<br />
Q<br />
a<br />
OG = ; Q = 2P ; α = 30°<br />
, β = 60°<br />
3<br />
⎛ RAx<br />
⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞<br />
→ ⎜ ⎟ → ⎜ ⎟ →⎜<br />
⎟ →⎜<br />
⎟<br />
Le point B ∈ ( yoz) ; RA⎜<br />
RAy<br />
⎟ ; RC<br />
⎜ RCy<br />
⎟ ; T ⎜ T cos β ⎟ ; Q ⎜−<br />
2P⎟<br />
;<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ R ⎜ ⎟<br />
Az ⎠ ⎝ R ⎜ ⎟<br />
Cz ⎠ ⎝−<br />
T sin β ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ 0 ⎠<br />
⎛ 0 ⎞<br />
→⎜<br />
⎟<br />
P⎜−<br />
P⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 0 ⎠<br />
z<br />
⎧− a ⎧a<br />
⎧ 0 ⎧ 0<br />
⎧2a<br />
⎧ a<br />
−→<br />
−→<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
⎪ ⎪<br />
A ⎨ 0 ; C ⎨0<br />
; B⎨asinα<br />
; G⎨(<br />
a / 3)sinα<br />
⇒ AC⎨<br />
0 ; AB⎨asinα<br />
;<br />
⎪<br />
⎩ 0 ⎪<br />
⎩0<br />
⎪<br />
⎩a<br />
cosα<br />
⎪<br />
⎩(<br />
a / 3)cosα<br />
⎪<br />
⎩ 0 ⎪<br />
⎩a<br />
cosα<br />
⎧ a<br />
−→<br />
⎪<br />
AG⎨(<br />
a / 3)sinα<br />
⎪<br />
⎩(<br />
a / 3)cosα<br />
101
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le système est en équilibre statique, nous avons alors :<br />
→<br />
=<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∑ F<br />
i<br />
0 ⇔ RA<br />
+ RC<br />
+ T + Q+<br />
P = 0<br />
(1)<br />
i<br />
−→<br />
→<br />
∑ M<br />
i / A<br />
= 0 ⇔ AC∧ RC<br />
+ AB∧<br />
T + AB∧<br />
Q+<br />
AG∧<br />
P = 0 (2)<br />
i<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
La projection de l’équation (1) sur les axes donne trois équations scalaires :<br />
R = 0<br />
(3)<br />
Ax<br />
RAy + RCy<br />
+ T cos β − 2P<br />
− P = 0<br />
(4)<br />
RAz + RCz<br />
− T sin β = 0<br />
(5)<br />
En développant l’équation vectorielle (2), nous obtenons trois autres équations scalaires :<br />
⎛2a⎞<br />
⎛ 0<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎜ 0 ⎟ ∧ ⎜ R<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝ R<br />
Cy<br />
Cz<br />
⎞ ⎛ a ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ a ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ a ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛0⎞<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎟ + ⎜ asinα<br />
⎟ ∧ ⎜ T cos β ⎟ + ⎜ asinα<br />
⎟ ∧ ⎜−<br />
2P⎟<br />
+ ⎜ ( a / 3)sinα<br />
⎟ ∧ ⎜−<br />
P⎟<br />
= ⎜0⎟<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝a<br />
cosα<br />
⎠ ⎝−<br />
T sin β ⎠ ⎝a<br />
cosα<br />
⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝(<br />
a / 3)cosα<br />
⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝0⎠<br />
aP<br />
− aT sin α sin β − aT cosα<br />
cos β + 2aP<br />
cosα<br />
+ cosα<br />
= 0 (6)<br />
3<br />
− 2 aR Cz<br />
+ aT sin β = 0<br />
(7)<br />
2 aR Cy<br />
+ aT cos β − 2aP<br />
− aP = 0<br />
(8)<br />
Les six équations permettent de trouver toutes les inconnues :<br />
(3) ⇒ R = 0 (6) ⇒ T = 2, 32P<br />
; (7) ⇒ R Cz<br />
= P<br />
Ax<br />
(8) ⇒ R Cy<br />
= 0, 92P<br />
; (5) ⇒ R Az<br />
= P ; (4) ⇒ R Ay<br />
= 0, 92P<br />
d’où :<br />
2 2 2<br />
2 2 2<br />
RA = RAx<br />
+ RAy<br />
+ RAz<br />
= 1, 358P<br />
; RC = RCx<br />
+ RCy<br />
+ RCz<br />
= 1, 358P<br />
102
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 12 :<br />
Un système mécanique composé d’une barre coudée ADE de masse négligeable et d’un<br />
disque de rayon R , de masse négligeable, soudé à celle-ci au point C comme indiqué sur la<br />
figure ci-dessous. La barre est supportée par deux liaisons cylindriques en A et B. On relie le<br />
disque à une poulie fixe par un câble inextensible, de masse négligeable, auquel est<br />
suspendue un poids P. Au point E, dans un plan parallèle au plan (xAz), est appliquée une<br />
force F → inclinée par rapport à la verticale d’un angle β = 30°<br />
. Un moment<br />
−→<br />
M est appliqué<br />
à la barre afin de maintenir le système en position d’équilibre statique dans le plan horizontal<br />
(xAy). On donne F = 2P , et α = 60°<br />
.<br />
1. Ecrire les équations scalaires d’équilibre statique ;<br />
2. En déduire les réactions aux points A et B ainsi que la valeur du moment M pour<br />
maintenir le système en position d’équilibre statique dans le plan horizontal (xAy),<br />
z<br />
A<br />
−→<br />
M<br />
H<br />
→<br />
T<br />
C<br />
α<br />
→<br />
P<br />
B<br />
x<br />
a<br />
a<br />
a<br />
→<br />
F<br />
β<br />
E<br />
D<br />
a<br />
y<br />
Solution :<br />
Nous avons AC = CB =CD =DE = a ; F = 2P ; α = 60°<br />
; β = 60°<br />
La poulie de rayon r est aussi en équilibre statique alors : T r = P r d’où : T = P<br />
⎧0<br />
⎪<br />
A⎨0<br />
⎪<br />
⎩0<br />
⎧ 0 ⎧R<br />
cosα<br />
⎧ a<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
⎪ ⎪<br />
⎪<br />
; AB⎨2a<br />
; AH ⎨ a ; AE⎨3a<br />
;<br />
⎪<br />
⎩ 0 ⎪<br />
⎩Rsinα<br />
⎪<br />
⎩ 0<br />
103
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
⎛ RAx<br />
⎞ ⎛ RBx<br />
⎞ ⎛− Psinα<br />
⎞ ⎛ − 2Psin<br />
β ⎞<br />
→ ⎜ ⎟ → ⎜ ⎟ →⎜<br />
⎟ →⎜<br />
⎟<br />
RA⎜<br />
0 ⎟ ; RB<br />
⎜ 0 ⎟ ; T⎜<br />
0 ⎟ ; F⎜<br />
0 ⎟ ;<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ R ⎜ ⎟<br />
Az ⎠ ⎝ R ⎜ ⎟<br />
Bz ⎠ ⎝ P cosα<br />
⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝−<br />
2P<br />
cos β ⎠<br />
⎛ 0 ⎞<br />
−→⎜<br />
⎟<br />
M ⎜−<br />
M ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 0 ⎠<br />
Le système est en équilibre statique, nous avons alors :<br />
→<br />
=<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∑ F<br />
i<br />
0 ⇔ RA<br />
+ RB<br />
+ T + F = 0<br />
(1)<br />
i<br />
−→<br />
→<br />
∑ M<br />
i / A<br />
= 0 ⇔ M + AB∧<br />
RB<br />
+ AH ∧ T + AE∧<br />
F = 0 (2)<br />
i<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
Projetons l’équation (1) sur les axes :<br />
RAx + RBx<br />
− 2 Psin<br />
β − Psinα<br />
= 0<br />
(3)<br />
0 = 0<br />
(4)<br />
RAz + RBz<br />
− 2 P cos β + P cosα<br />
= 0<br />
(5)<br />
En développant l’équation vectorielle (2), nous obtenons trois autres équations scalaires :<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ R<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎜−<br />
M ⎟ + ⎜2a⎟<br />
∧ ⎜ 0<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝ R<br />
Bx<br />
Bz<br />
⎞ ⎛ R cosα<br />
⎞ ⎛− Psinα<br />
⎞ ⎛ a ⎞ ⎛ − 2Psin<br />
β ⎞ ⎛0⎞<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎟ + ⎜ a ⎟ ∧ ⎜ 0 ⎟ + ⎜3a⎟<br />
∧ ⎜ 0 ⎟ = ⎜0⎟<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ Rsinα<br />
⎠ ⎝ P cosα<br />
⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝−<br />
2P<br />
cos β ⎠ ⎝0⎠<br />
2 aR Bz<br />
+ aPcosα<br />
− 6aPcos<br />
β = 0<br />
(6)<br />
− M − RP cos<br />
2<br />
α − RP sin<br />
2<br />
α + 2aPc<br />
osβ<br />
= 0 (7)<br />
− 2 aR Bx<br />
+ aPsinα<br />
+ 6aPsin<br />
β = 0<br />
(8)<br />
Le système d’équation permet de trouver toutes les inconnues.<br />
(7) ⇒ M = 2aPc osβ<br />
− RP = P(<br />
a 3 − R)<br />
= P(1,732a<br />
− R)<br />
(8) ⇒<br />
P P<br />
R Bx<br />
= 3 Psin<br />
β + sinα<br />
= (6 +<br />
2 4<br />
3) = 1, 933P<br />
(6) ⇒<br />
P P<br />
R Bz<br />
= 3 P cos β − cosα<br />
= (6<br />
2 4<br />
3 −1)<br />
= 2, 348P<br />
104
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
P<br />
(5) ⇒ RAz = 2P<br />
cos β − P cosα<br />
− RBz<br />
= − (2 3 + 1) = −1,<br />
116P<br />
4<br />
(4) ⇒ R Ay<br />
R = 0<br />
= By<br />
P<br />
(3) ⇒ RAx = 2 P sin β + P sinα<br />
− RBx<br />
= ( 3 − 2) = 0, 067P<br />
4<br />
Exercice 13 :<br />
Soit le système, constitué de deux masses ponctuelles, liées entre elles par une tige homogène<br />
de longueur AB= L et de masse négligeable. Le système est soumis à deux liaisons sans<br />
frottement en A et O. on donne<br />
m<br />
= 3 m = m .<br />
B A<br />
3<br />
1. Trouver l’angle θ<br />
0<br />
qui détermine la position d’équilibre en fonction de m, d, L. ;<br />
2. En déduire les modules des réactions aux points A et O ;<br />
3. Calculer θ<br />
0<br />
, les réactions R0<br />
et RA<br />
pour L = 20 cm, m = 0,1 Kg et d = 5 cm<br />
O<br />
θ<br />
B<br />
y<br />
→<br />
R O<br />
O<br />
θ 0<br />
B<br />
→<br />
P<br />
B<br />
A<br />
A<br />
→<br />
P A<br />
θ 0<br />
→<br />
R A<br />
x<br />
d<br />
d<br />
Solution :<br />
⎛ d<br />
−→ ⎜<br />
AO⎜d<br />
⎜<br />
⎝<br />
tgθ 0<br />
0<br />
⎞ ⎛ Lcosθ<br />
0 ⎞ ⎛ RA<br />
⎞ ⎛− RO<br />
sinθ<br />
0 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞<br />
−→ ⎜ ⎟ → ⎜ ⎟ → ⎜ ⎟ → ⎜ ⎟ → ⎜ ⎟<br />
; AB⎜<br />
Lsinθ<br />
0 ⎟ ; RA⎜<br />
0 ⎟ ; RO<br />
⎜ RO<br />
cosθ<br />
0 ⎟ ; P A ⎜−<br />
P A ⎟ ; P B ⎜−<br />
P B ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 0 ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ 0 ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ 0 ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ 0 ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ 0 ⎠<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
105
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
1) le système est en équilibre statique :<br />
→<br />
=<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∑ F<br />
i<br />
0 ⇒ RA<br />
+ RO<br />
+ PA<br />
+ PB<br />
= 0<br />
(1)<br />
i<br />
−→<br />
→<br />
∑ M<br />
i / A<br />
= 0 ⇒ AO∧ RO + AB∧<br />
P B<br />
= 0 (2)<br />
i<br />
−→<br />
La projection de l’équation (1) sur les axes donne :<br />
→<br />
R − sinθ<br />
0<br />
= 0<br />
(3)<br />
A<br />
R O<br />
R cosθ 0<br />
− P − P = 0<br />
(4)<br />
O<br />
L’équation (2) s’écrira :<br />
A<br />
B<br />
⎛ d ⎞ ⎛− RO<br />
sinθ<br />
0 ⎞ ⎛ L cosθ<br />
0 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛0⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎜d<br />
tgθ<br />
0 ⎟ ∧ ⎜ RO<br />
cosθ<br />
0 ⎟ + ⎜ Lsinθ<br />
0 ⎟ ∧ ⎜−<br />
PB<br />
⎟ = ⎜0⎟<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝0⎠<br />
→<br />
2<br />
sin θ<br />
0<br />
dR0 cosθ<br />
0<br />
+ dR0<br />
− PB L cosθ<br />
0<br />
= 0<br />
(5)<br />
cosθ<br />
0<br />
2<br />
2<br />
2<br />
L’équation (5) donne : dR0 (cos θ<br />
0<br />
+ sin θ<br />
0<br />
) − PB<br />
L cos θ<br />
0<br />
= 0<br />
→<br />
−→<br />
PB<br />
L 2 3mgL<br />
2<br />
d’où R0 = cos θ<br />
0<br />
= cos θ<br />
0<br />
d<br />
d<br />
En remplaçant l’équation (4) dans l’équation (5) on obtient :<br />
3 4d<br />
cos θ<br />
0<br />
= ⇒<br />
3L<br />
2) D’après l’équation (4) :<br />
⎛ 4d<br />
⎞<br />
θ<br />
0<br />
= Ar cos⎜<br />
⎟<br />
⎝ 3L<br />
⎠<br />
R<br />
→<br />
→<br />
1<br />
3<br />
→<br />
PA<br />
+ PB<br />
4mg<br />
=<br />
cosθ<br />
0<br />
cosθ<br />
0<br />
O<br />
=<br />
D’après l’équation (3) : R A<br />
= 4mg tgθ0<br />
3) A.N : pour g= 10m/s 2 nous aurons : θ<br />
0<br />
= 46, 1°<br />
, R0 = 5, 8N<br />
, R A<br />
= 4, 2N<br />
Exercice 14 :<br />
Un disque de faible épaisseur, de rayon R = 30 cm et de poids P = 350 Kg doit passer au<br />
dessus d’un obstacle en forme d’escalier de hauteur h= 15 cm sous l’action d’une force → F<br />
106
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
horizontale appliquée au point D situé à la même hauteur que le centre O du disque.<br />
Quelle est la valeur minimale de la force F min pour faire démarrer de disque ?<br />
On considère que les frottements sons négligeables, et on prendra g = 10m/s 2 .<br />
→<br />
F<br />
O<br />
R<br />
→<br />
P<br />
h<br />
B<br />
Exercice 15 :<br />
Un arbre homogène horizontal AB de masse négligeable est maintenu à ses extrémités par une<br />
liaison sphérique en A et cylindrique en B. Au point C est emmanchée une roue de rayon R et<br />
de masse négligeable. Un fil inextensible est enroulé autour de la roue et porte une charge Q.<br />
Une tige DE, de masse négligeable, est soudée à l’arbre au point D . Elle supporte à son<br />
extrémité E une charge P de telle sorte qu’elle fasse un angle de 30° à l’équilibre avec la<br />
verticale, dans le plan (xDz). On donne : P = 15000 N ; a = 0,5 m ; L = 1 m ; R = 0,3 m .<br />
Déterminer les réactions aux appuis A et B ainsi que la charge Q à l’équilibre statique.<br />
2a<br />
z<br />
2a<br />
4a<br />
B<br />
y<br />
D<br />
A<br />
x<br />
C<br />
H<br />
E<br />
30°<br />
L<br />
→<br />
P<br />
→<br />
Q<br />
107
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
P=1500 N ; a = 0,5 m ; DE=L=1m ; R=0,3m ; AC=DB= 2a ; CD=4a<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ R ⎞ ⎛ − Lsin 30°<br />
⎞ ⎛ RAx<br />
⎞ ⎛ RBx<br />
⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞<br />
−→ ⎜ ⎟ −→ ⎜ ⎟ −→ ⎜ ⎟ → ⎜ ⎟ → ⎜ ⎟ →⎜<br />
⎟ →⎜<br />
⎟<br />
Nous avons: AB⎜8a⎟<br />
; AH⎜2a⎟<br />
; AE⎜<br />
6a<br />
⎟ ; RA⎜<br />
RAy<br />
⎟ ; RB<br />
⎜ 0 ⎟ ; Q⎜<br />
0 ⎟ ; P⎜<br />
0 ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 0 ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ 0 ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝−<br />
L cos30°<br />
⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ R ⎜ ⎟<br />
Az ⎠ ⎝ R ⎜ ⎟<br />
Bz ⎠ ⎝−<br />
Q ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝−<br />
P⎠<br />
1) le système est en équilibre statique :<br />
→<br />
=<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∑ F<br />
i<br />
0 ⇒ RA<br />
+ RB<br />
+ Q+<br />
P = 0<br />
(1)<br />
i<br />
−→<br />
→<br />
∑ M<br />
i / A<br />
= 0 ⇒ AB∧ RB<br />
+ AH ∧ Q+<br />
AE∧<br />
P = 0 (2)<br />
i<br />
−→<br />
La projection de l’équation (1) sur les axes donne :<br />
R − R = 0<br />
(3)<br />
Ax<br />
Bx<br />
R = 0<br />
(4)<br />
Ay<br />
RAz + RBz<br />
− Q − P = 0<br />
(5)<br />
→<br />
−→<br />
L’équation vectorielle (2) se traduit par :<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ R<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎜8a⎟<br />
∧ ⎜ 0<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝ R<br />
Bx<br />
Bz<br />
⎞ ⎛ R ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ − Lsin 30°<br />
⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛0⎞<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎟ + ⎜2a⎟<br />
∧ ⎜ 0 ⎟ + ⎜ 6a<br />
⎟ ∧ ⎜ 0 ⎟ = ⎜0⎟<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝−<br />
Q⎠<br />
⎝−<br />
L cos30°<br />
⎠ ⎝−<br />
P⎠<br />
⎝0⎠<br />
En développant cette expression on aboutit à trois équations scalaires :<br />
8 aR Bz<br />
− 2aQ<br />
− 6aP<br />
= 0<br />
(6)<br />
RQ − LP sin 30°<br />
= 0<br />
(7)<br />
8 aR<br />
Bx<br />
= 0<br />
(8)<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
On déduit facilement des six équations scalaires la réaction en A et B ainsi que la charge Q.<br />
(8) ⇒ R = 0<br />
; (7) ⇒<br />
Bx<br />
→<br />
→<br />
LP<br />
Q = sin 30°<br />
= 25000N<br />
R<br />
2Q<br />
+ 6<br />
(6) ⇒ R P<br />
Bz<br />
= = 7375N<br />
; (5) ⇒ RAz = Q + P − RBz<br />
= 19125N<br />
8<br />
(4) ⇒ R = 0<br />
; (3) ⇒ R R = 0<br />
Ay<br />
RA = RAz<br />
= 19125N<br />
; RB = RBz<br />
= 7375N<br />
Ax<br />
= Bx<br />
108
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 16 :<br />
Un couvercle homogène ayant la forme d’un demi disque de rayon a de poids P est<br />
maintenu par un axe horizontal AB avec une liaison sphérique en A et cylindrique en B. Une<br />
corde inextensible CD , de masse négligeable est attaché au point C et soulève le couvercle<br />
de tel sorte qu’il fasse un angle α = 30°<br />
avec l’axe horizontal (oy). L’autre extrémité est<br />
attaché au point D (- a,0, a). On donne : OA = OB = a<br />
Le centre d’inertie G du couvercle est situé sur l’axe OC et tel que :<br />
1. Ecrire les équations scalaires d’équilibre ;<br />
OG =<br />
2. En déduire les réactions des liaisons A et B ainsi que la tension de la corde.<br />
z<br />
D<br />
B<br />
z<br />
4a<br />
3π<br />
D<br />
B<br />
A<br />
O<br />
α<br />
C<br />
y<br />
A<br />
O<br />
G<br />
α<br />
C<br />
y<br />
Solution :<br />
x<br />
x<br />
⎛− 2a⎞<br />
⎛ − a ⎞<br />
−→ ⎜ ⎟ −→ ⎜ ⎟<br />
Nous avons: AB⎜<br />
0 ⎟ ; AC⎜<br />
a cos30°<br />
⎟ ;<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 0 ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝−<br />
asin 30°<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎜ − a ⎟<br />
−→<br />
⎜ 4a<br />
AG cos30°<br />
⎟<br />
⎜ 3π ⎟<br />
⎜ 4 a ⎟<br />
⎜−<br />
sin 30°<br />
⎟<br />
⎝ 3π<br />
⎠<br />
Déterminons les composantes de T → , en effet nous pouvons écrire : T<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
− a i − 0,866a<br />
j+<br />
1,5a k<br />
→<br />
→<br />
→<br />
T = T<br />
= −0,5T<br />
i − 0, 433T<br />
j+<br />
0,750T k<br />
2<br />
2 2<br />
a ( −1)<br />
+ ( −0,866)<br />
+ (1,5)<br />
→<br />
= T u<br />
→<br />
CD<br />
−→<br />
CD<br />
= T<br />
CD<br />
⎛ RAx<br />
⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ − 0,5T<br />
⎞<br />
→ ⎜ ⎟ → ⎜ ⎟ →⎜<br />
⎟<br />
d’où : RA⎜<br />
RAy<br />
⎟ ; RB<br />
⎜ RBy<br />
⎟ ; T ⎜−<br />
0,433T<br />
⎟ ;<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ R ⎜ ⎟<br />
Az ⎠ ⎝ R ⎜ ⎟<br />
Bz ⎠ ⎝ 0,750T<br />
⎠<br />
⎛ 0 ⎞<br />
→⎜<br />
⎟<br />
P⎜<br />
0 ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝−<br />
P⎠<br />
109
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
1) Le système est en équilibre statique :<br />
→<br />
=<br />
→<br />
∑ Fi<br />
0 ⇒<br />
i<br />
→<br />
R<br />
A<br />
→<br />
+ R + T + P = 0<br />
B<br />
→<br />
→<br />
→<br />
(1)<br />
−→<br />
→<br />
∑ M i / A<br />
= 0<br />
i<br />
⇒<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
AB∧ R + AC∧<br />
T + AG∧<br />
P = 0<br />
La projection de l’équation (1) sur les axes donne :<br />
B<br />
R Ax<br />
− 0 ,5T<br />
= 0<br />
(3)<br />
RAy + RBy<br />
− 0 ,433T<br />
= 0<br />
(4)<br />
RAz + RBz<br />
+ 0 ,750T<br />
− P = 0<br />
(5)<br />
L’équation vectorielle (2) se traduit par :<br />
⎛− 2a⎞<br />
⎛ 0<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎜ 0 ⎟ ∧ ⎜ R<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝ R<br />
By<br />
Bz<br />
⎞ ⎛ − a ⎞ ⎛ − 0,5T<br />
⎞ ⎛ − a ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛0⎞<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎟ + ⎜(<br />
a 3) / 2⎟<br />
∧ ⎜−<br />
0,433T<br />
⎟ + ⎜(2a<br />
3) / 3π<br />
⎟ ∧ ⎜ 0 ⎟ = ⎜0⎟<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎠ ⎝ − ( a / 2) ⎠ ⎝ 0,750T<br />
⎠ ⎝ − (2a) / 3π<br />
⎠ ⎝−<br />
P⎠<br />
⎝0⎠<br />
3 0,433 2a<br />
3<br />
.0,750aT<br />
− aT − P = 0<br />
2<br />
2 3π<br />
2 aR Bz<br />
+ 0,750aT<br />
+ 0,25aT<br />
− aP = 0<br />
(7)<br />
3<br />
− 2 aR By<br />
+ 0,433aT<br />
+ .0,5aT<br />
= 0<br />
(8)<br />
2<br />
(6) ⇔ 0 ,432T − 0,367P<br />
= 0<br />
⇒ T = 0, 849P<br />
(7) ⇔ 2 + T − P = 0<br />
⇒<br />
R Bz<br />
→<br />
→<br />
(6)<br />
(2)<br />
P − T<br />
R Bz<br />
= = 0, 075P<br />
2<br />
(8) ⇔ 2 R By<br />
+ 0,866T<br />
= 0<br />
⇒ R By<br />
= −0,433T<br />
= −0,<br />
367P<br />
(3) ⇔ R Ax<br />
− 0 ,5T<br />
= 0<br />
⇒ R Ax<br />
= 0 ,5T<br />
= 0, 424P<br />
(4) ⇔ − 0 ,433T<br />
− 0,433T<br />
= 0 ⇒<br />
R Ay<br />
R Ay<br />
= 0 ,866T<br />
= 0, 735P<br />
(5) ⇔ R Az<br />
+ 0 ,075P<br />
+ 0,750T<br />
− P = 0 ⇒ R Az<br />
= 0, 288P<br />
2 2 2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
RA = RAx<br />
+ RAy<br />
+ RAz<br />
= P (0,424) + (0,735) + (0,288) = 0, 896P<br />
2 2<br />
2<br />
2<br />
RB = RBy<br />
+ RBz<br />
= P ( −0,367)<br />
+ (0,075) = 0, 374P<br />
110
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CHAPITRE IV<br />
GEOMETRIE DES MASSES<br />
110
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
GEOMETRIE DES MASSES<br />
Objectifs du chapitre<br />
Afin de comprendre et de pouvoir décrire les mouvements des systèmes matériels, il est<br />
important de connaître la répartition géométrique afin de se préparer aux concepts de<br />
cinétiques et dynamiques des solides.<br />
L’intérêt de cette partie est de nous permettre de connaître un certain nombre de données sur<br />
la répartition des masses des systèmes. Nous, nous intéresserons à la détermination :<br />
- des centres de masse du solide<br />
- des moments d’inertie, des produits d’inertie par rapport à des axes et aux tenseurs<br />
d’inertie des solides quelconques dans différents repères.<br />
L’opérateur d’inertie sert à caractériser la répartition des masses d’un solide, afin d’étudier<br />
par la suite, un mouvement quelconque de celui-ci.<br />
1. Notions de masse d’un système matériel<br />
A chaque système matériel (S) est associé, une quantité scalaire positive invariable en<br />
mécanique classique, appelée : masse du système<br />
La masse d’un solide fait référence à la quantité de matière contenue dans le volume de ce<br />
solide.<br />
Cet invariant scalaire obéit aux propriétés mathématiques suivantes :<br />
Aditivité des masses<br />
La masse d’un système matériel (S) est égale à la somme des masses qui le composent.<br />
Exemple : masse d’un livre = somme des masses des feuilles qu’il contient.<br />
La masse d’un système matériel est définie par la grandeur scalaire suivante :<br />
M<br />
=<br />
∫<br />
P∈(<br />
S )<br />
L’élément<br />
dm(<br />
P)<br />
dm(P) est la mesure de la masse<br />
M i (P)<br />
au voisinage du point (P).<br />
111
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Un système matériel est un ensemble discret ou continu des points matériels ou encore une<br />
réunion d’ensembles continus ou discrets de points matériels.<br />
1.1. Systèmes discrets<br />
La masse d’un système discret est la somme des n points matériels discrets de masses m i :<br />
m =<br />
n<br />
∑ m i<br />
i=<br />
1<br />
m i<br />
1.2. Systèmes continus<br />
Si le système est constitué d’un ensemble continu de masses, la masse du système<br />
s’écrirait sous la forme d’une intégrale continue :<br />
- Le système (S) est un volume<br />
La masse s’écrirait :<br />
∫<br />
m = ρ(<br />
P)<br />
dv<br />
V<br />
m =<br />
∫<br />
( S )<br />
dm(<br />
P)<br />
ρ (P) est la masse volumique au point P et dv un élément de volume du solide (S)<br />
- Le système (S) est une surface : (cas des plaques fines) l’épaisseur est négligeable<br />
devant les deux autres dimensions.<br />
La masse s’écrirait :<br />
∫<br />
m = σ ( P)<br />
ds<br />
S<br />
σ (P) est la densité surfacique au point P et ds un élément de surface du solide (S)<br />
- Le système (S) est linaire : (cas des tiges fines) les deux dimensions sont négligeables<br />
devant la longueur de la tige.<br />
La masse s’écrirait :<br />
∫<br />
m = λ(<br />
P)<br />
dl<br />
L<br />
λ (P) est la densité linéique au point P et -un élément de longueur du solide (S)<br />
Dans les systèmes homogènes (solides homogènes) la densité des solides est constante.<br />
112
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2. Centre d’inertie (centre de masse) des solides<br />
On appelle centre d’inertie d’un système matériel (S) le point G défini par la relation :<br />
∫<br />
P∈(<br />
S )<br />
−→<br />
→<br />
GP dm = 0<br />
où P est un point du solide avec<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
OP = x i + y j+<br />
z k<br />
et<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
OG = x i + y j+<br />
z k<br />
G<br />
G<br />
G<br />
→ → →<br />
Soit O le centre d’un repère orthonormé ( O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
nous pouvons écrire dans ce<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
repère : = OG+<br />
GP OP dm = OG dm + GP dm alors nous obtenons :<br />
OP ∫ ∫ ∫<br />
∫<br />
P∈(<br />
S )<br />
−→<br />
P∈( S )<br />
P∈( S)<br />
P∈(<br />
S)<br />
−→<br />
14243<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
1<br />
1<br />
−→<br />
OG = ∫ OP dm ; OG = ∫ OP dm<br />
m<br />
P∈(<br />
S )<br />
P∈(<br />
S )<br />
dm<br />
= 0<br />
Les coordonnées du centre d’inertie G d’un système homogène sont déterminées par des<br />
calculs utilisant les éléments infinitésimaux tel que : dl pour les éléments linéaires, ds pour<br />
les éléments surfaciques et dv pour les éléments volumiques. Ainsi nous pouvons écrire :<br />
∫ x dm<br />
∫ y dm<br />
P∈( S ) 1<br />
P∈( S ) 1<br />
x<br />
G<br />
= = ∫ x dm ,<br />
G<br />
= =<br />
m<br />
m<br />
∫<br />
P∈(<br />
S )<br />
P∈(<br />
∫ dm<br />
∫ dm<br />
P∈(<br />
S )<br />
z dm<br />
P∈( S ) 1<br />
y y dm , z<br />
G<br />
= = ∫ z<br />
m<br />
S )<br />
P∈(<br />
S )<br />
dm<br />
P∈(<br />
S )<br />
∫<br />
∫<br />
P∈(<br />
S )<br />
dm<br />
Remarques :<br />
- Le centre d’inertie des masses homogènes coïncide avec le centre d’inertie de leurs<br />
volumes s’ils sont volumiques ou de leurs surfaces s’ils sont surfaciques.<br />
- Si le solide présente des éléments de symétrie (axes ou plans) son centre d’inertie est<br />
nécessairement situé sur ces éléments de symétrie.<br />
113
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3. Centre d’inertie d’un système composé<br />
Dans la réalité c’est le cas le plus souvent rencontré, les calculs sont élémentaires en<br />
résonnant sur chacun des éléments qui composent les systèmes.<br />
On détermine d’abord le centre d’inertie de chaque élément<br />
Δ<br />
i<br />
du système au point G i , puis<br />
on détermine le centre d’inertie G du système comme barycentre des points G i .<br />
Soient les éléments d’un système composé :<br />
Δ Δ<br />
., Δ<br />
, ,...................<br />
1 2 n<br />
ayant pour centres<br />
d’inertie respectifs :<br />
G , 1<br />
G ,...................<br />
2<br />
.......,<br />
G n<br />
ayant pour vecteurs positions dans un repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
→<br />
→<br />
→<br />
r n<br />
: r 1<br />
, r 2<br />
,..................,<br />
:<br />
Le centre d’inertie de ce système est donné par :<br />
quantité.<br />
n<br />
∑<br />
→<br />
r<br />
→ i<br />
i=<br />
1<br />
rG<br />
=<br />
n<br />
Elle peut être un élément de longueur, de surface, de volume ou de masse.<br />
Le centre d’inertie du système aura pour coordonnées :<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
Δ<br />
Δ<br />
i<br />
i<br />
ième<br />
; où Δ i<br />
est la i<br />
x<br />
G<br />
n<br />
∑<br />
x<br />
i<br />
i=<br />
1<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
Δ<br />
Δ<br />
i<br />
i<br />
,<br />
y<br />
G<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
=<br />
n<br />
y<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
i<br />
Δ<br />
Δ<br />
i<br />
i<br />
,<br />
z<br />
G<br />
n<br />
∑<br />
z<br />
i<br />
i=<br />
1<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
Δ<br />
Δ<br />
i<br />
i<br />
où :<br />
x<br />
i<br />
, yi<br />
, zi<br />
sont les coordonnées des points Gi où l’élément Δ<br />
i<br />
est concentré.<br />
Si les Δ i<br />
sont des éléments de masses alors on peut écrire :<br />
x<br />
G<br />
n<br />
∑<br />
x<br />
i<br />
i=<br />
1<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
m<br />
m<br />
i<br />
i<br />
,<br />
y<br />
G<br />
n<br />
∑<br />
y<br />
i<br />
i=<br />
1<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
m<br />
m<br />
i<br />
i<br />
,<br />
z<br />
G<br />
n<br />
∑<br />
z<br />
i<br />
i=<br />
1<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
m<br />
m<br />
i<br />
i<br />
114
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
4. Théorème de Guldin<br />
Une seconde méthode pour la détermination des centres d’inertie des solides linéaires ou<br />
surfaciques homogènes fut trouvée par Guldin. Elle consiste à faire tourner ces solides autour<br />
des axes qu’ils n’interceptent pas. Les solides linéaires décriront des surfaces et les solides<br />
surfaciques décriront des volumes.<br />
4.1. 1 er Théorème de Guldin<br />
La surface S engendrée par la rotation d’un arc de courbe de longueur L autour d’un axe ( Δ )<br />
sans l’intercepter dans son plan est égale au produit de la longueur L de l’arc par la longueur<br />
RG<br />
de la circonférence 2π décrite par le centre d’inertie G de l’arc de courbe.<br />
Soit L la longueur de l’arc et<br />
R G<br />
sont centre d’inertie.<br />
La longueur (périmètre) décrite par la rotation du centre d’inertie G<br />
par rapport à l’axe ( Δ)<br />
est donnée par : 2π RG<br />
, alors la surface<br />
décrite par cet élément est égale à :<br />
S<br />
/ Δ<br />
= 2π<br />
RG<br />
L d’où<br />
S<br />
/ Δ<br />
R G<br />
=<br />
2π<br />
L<br />
(Δ)<br />
R G<br />
G<br />
L<br />
Dans le cas d’un système homogène de plusieurs éléments on aura :<br />
R<br />
G<br />
=<br />
S<br />
totale / Δ<br />
2π<br />
L<br />
totale<br />
si l’axe (Δ)<br />
représente l’axe ( O , ) nous aurons :<br />
→<br />
y<br />
x<br />
G<br />
=<br />
S<br />
/ oy<br />
2π<br />
L<br />
si l’axe (Δ)<br />
représente l’axe ( O , ) nous aurons :<br />
→<br />
x<br />
y<br />
G<br />
=<br />
S<br />
/ ox<br />
2π<br />
L<br />
4.2. 2ième Théorème de Guldin<br />
Une surface plane homogène S , limitée par une courbe fermée<br />
simple et tournant autour d’un axe (Δ) sans le rencontrer<br />
S<br />
engendre un volume V.<br />
Le volume V engendré est égal au produit de la surface S<br />
par la longueur du périmètre 2π RG<br />
décrit par le centre<br />
d’inertie G de cette surface autour de l’axe (Δ)<br />
.<br />
(Δ)<br />
R G<br />
G<br />
115
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Soit S la surface et R la distance de son centre d’inertie à (Δ)<br />
.<br />
G<br />
La longueur (périmètre) décrite par la rotation du centre d’inertie G par rapport à l’axe (Δ)<br />
est donnée par : 2π RG<br />
, alors le volume décrit par cette surface est égal à :<br />
V/ Δ<br />
= 2π<br />
RG<br />
S d’où<br />
V/<br />
Δ<br />
R G<br />
=<br />
2π<br />
S<br />
Dans le cas d’un système homogène composé de plusieurs surfaces on aura :<br />
R<br />
G<br />
V<br />
=<br />
2π<br />
S<br />
totale / Δ<br />
totale<br />
si l’axe (Δ)<br />
représente l’axe ( O , ) nous aurons :<br />
→<br />
y<br />
x<br />
G<br />
=<br />
V<br />
total / oy<br />
2π<br />
S<br />
totale<br />
si l’axe (Δ)<br />
représente l’axe ( O , ) nous aurons :<br />
→<br />
x<br />
y<br />
G<br />
=<br />
V<br />
total / ox<br />
2π<br />
S<br />
totale<br />
5. Opérateur d’inertie (tenseur d’inertie) : Moment d’inertie et produit d’inertie<br />
La notion d’opérateur d’inertie permet d’exprimer les divers torseurs, déjà vue précédemment,<br />
afin de faciliter l’étude de la cinétique et de la dynamique des solides.<br />
5.1 Opérateur produit vectoriel<br />
Considérons deux vecteurs et dont les composantes sont exprimées dans une base<br />
orthonormée directe R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
:<br />
→<br />
→<br />
u<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V<br />
→<br />
→ → →<br />
x<br />
i + u<br />
y<br />
j+<br />
u<br />
z<br />
,<br />
u = u<br />
k<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V = X i + Y j+<br />
Z k<br />
Le produit vectoriel des deux vecteurs s’écrit :<br />
→<br />
∧ →<br />
u<br />
⎡u<br />
x ⎤ ⎡X<br />
⎤ ⎡u<br />
yZ<br />
− u<br />
zY<br />
⎤<br />
⎥ ⎢ ⎥<br />
V =<br />
⎢ ⎥<br />
∧<br />
⎢<br />
⎢<br />
u<br />
y ⎥ ⎢<br />
Y<br />
⎥<br />
= ⎢u<br />
z<br />
X − u<br />
xZ<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
u ⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
Z ⎥⎦<br />
⎢ ⎥<br />
z ⎣u<br />
xY<br />
− u<br />
y<br />
X ⎦<br />
116
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
u<br />
→<br />
V<br />
Comme le vecteur est connu et quelconque, on constate que l’on peut passer du<br />
→<br />
→ →<br />
vecteur V au vecteur u∧<br />
V par une opération linéaire très simple à vérifier. Le produit<br />
vectoriel est distributif, par rapport à l’addition et à la multiplication, nous pouvons alors<br />
écrire :<br />
3<br />
∀ λ ∈ IR et ∀V → ∈ IR on a : u∧<br />
λV<br />
= λ(<br />
u∧V<br />
)<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
3<br />
1, V2<br />
IR<br />
∀V ∈<br />
on a aussi :<br />
→ → → → → → →<br />
u∧ ( V1 + V2<br />
) = u∧V1<br />
+ u∧V2<br />
→<br />
→ →<br />
on peut conclure que l’on passe du vecteur V au vecteur u∧<br />
V , par application d’un<br />
opérateur linéaire que l’on notera : [ A ; d’où l’écriture : u∧V<br />
A V qui se traduit sous<br />
forme matricielle dans la base orthonormée R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
par :<br />
]<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
=<br />
[ ] →<br />
⎡u<br />
⎤ ⎡<br />
yZ<br />
− u<br />
zY<br />
0<br />
⎢ ⎥ ⎢<br />
⎢u<br />
z<br />
X − u<br />
xZ<br />
⎥ = ⎢ u<br />
z<br />
⎢ ⎥ ⎢<br />
⎣u<br />
xY<br />
− u<br />
y<br />
X ⎦ ⎣−<br />
u<br />
y<br />
− u<br />
u<br />
0<br />
x<br />
z<br />
u<br />
y<br />
− u<br />
0<br />
x<br />
⎤⎡X<br />
⎤<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
⎥⎢<br />
Y<br />
⎥<br />
=<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎢⎣<br />
Z ⎥⎦<br />
[ A]<br />
⎡X<br />
⎤<br />
⎢ ⎥<br />
⎢<br />
Y<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
Z ⎥⎦<br />
La matrice<br />
⎡ 0<br />
⎢<br />
⎢ u<br />
z<br />
⎢<br />
⎣−<br />
u<br />
y<br />
− u<br />
u<br />
0<br />
x<br />
z<br />
u<br />
y<br />
− u<br />
0<br />
x<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
est antisymétrique dans cette base.<br />
Pour déterminer le tenseur d’inertie, nous avons besoin d’un nouvel opérateur qui est le<br />
→ → →<br />
→ → →<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
double produit Vectoriel : ⎜ u∧<br />
( V ∧ u)<br />
⎟ = −⎜<br />
u∧<br />
( u∧V<br />
) ⎟ car le produit vectoriel est<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
antisymétrique. D’après les relations précédentes, nous pouvons écrire cet opérateur sous la<br />
⎛<br />
forme : → → → ⎞<br />
→ ⎛[ ] → ⎞ 2<br />
= [ ] →<br />
⎜ u∧<br />
( u∧V<br />
) ⎟ = u∧<br />
⎜ A V ⎟ A V .<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
117
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Cet opérateur est aussi un opérateur linéaire et son écriture sous la forme matricielle dans la<br />
→ → →<br />
base R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
est la suivante : [ A]<br />
2<br />
2<br />
⎡−<br />
( u<br />
y<br />
+ u<br />
⎢<br />
= ⎢ u<br />
xu<br />
y<br />
⎢<br />
⎣<br />
u<br />
xu<br />
z<br />
2<br />
z<br />
)<br />
u<br />
− ( u<br />
x<br />
2<br />
x<br />
u<br />
y<br />
u<br />
y<br />
+ u<br />
u<br />
z<br />
2<br />
z<br />
)<br />
u<br />
u<br />
− ( u<br />
x<br />
y<br />
2<br />
x<br />
u<br />
u<br />
z<br />
z<br />
+ u<br />
2<br />
y<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
) ⎥<br />
⎦<br />
On voit bien que la matrice [ A ] 2<br />
est symétrique et de même pour la matrice [ B] −[ A] 2<br />
= ,<br />
alors nous utiliserons cette dernière afin de représenter les tenseurs d’inertie d’un solide dans<br />
une base orthonormée R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
.<br />
5.2. Opérateur d’inertie<br />
5.2.1. Définition du moment d’inertie d’un solide<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Soit un solide de masse dm lié à une tige (AA’) de masse négligeable, en rotation autour<br />
d’un axe ( Δ) . Si on applique un couple au système (tige + masse), il se mettra à tourner<br />
librement autour de l’axe<br />
(Δ) . L’étude dynamique de ce système se fera dans les prochains<br />
chapitres. Le temps nécessaire à cet élément de masse dm pour atteindre une vitesse de<br />
rotation donnée est proportionnel à la masse dm et au carré de la distance r qui sépare la<br />
masse de l’axe (Δ)<br />
. C’est pour cette raison que le produit r 2 dm est appelé moment<br />
d’inertie de la masse dm par rapport à l’axe<br />
(Δ)<br />
.<br />
A<br />
r<br />
dm<br />
A’<br />
(Δ)<br />
5.2.2. Matrice d’inertie : Moments et produits d’inertie d’un solide<br />
Soit un repère orthonormé<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
et un solide (S) tel que O ∈ (S)<br />
. Le moment d’inertie<br />
de ce solide par rapport au point O est obtenu en intégrant la relation r 2 dm .<br />
I<br />
O<br />
=<br />
∫<br />
r<br />
( S )<br />
2<br />
dm<br />
118
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
les intégrales sont calculées sur le solide. Celui-ci peut être linéaire, surfacique ou volumique.<br />
L’élément d’intégration dm(P) est situé en un point P du solide.<br />
→<br />
∫<br />
−→<br />
L’opérateur d’inertie s’écrit : I ( V ) = − OP∧<br />
( OP∧V<br />
) dm , le vecteur V est indépendant du<br />
O<br />
( S )<br />
point P . Le point P est un point quelconque du solide (S) et dm est l’élément de masse<br />
entourant le point P . Le tenseur d’inertie du solide au point O est représenté dans la base<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
par une matrice notée<br />
I<br />
O<br />
( S)<br />
/ R<br />
: appelée matrice d’inertie en O dans la base<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
du solide (S) :<br />
I<br />
O<br />
( S)<br />
/ R<br />
⎡ A<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
− D<br />
⎢⎣<br />
− E<br />
− D<br />
B<br />
− F<br />
− E⎤<br />
⎡ I<br />
⎢<br />
− F<br />
⎥<br />
⎥<br />
= ⎢−<br />
I<br />
C ⎥⎦<br />
⎢<br />
⎣−<br />
I<br />
xx<br />
xy<br />
xz<br />
− I<br />
I<br />
yy<br />
− I<br />
xy<br />
yz<br />
− I<br />
− I<br />
I<br />
zz<br />
xz<br />
yz<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
La matrice<br />
I<br />
O<br />
( S)<br />
/ R<br />
est symétrique, réelle et diagonisable. Elle admet trois valeurs propres<br />
réelles et trois directions propres réelles et orthogonales.<br />
• Les valeurs propres sont appelées moments principaux d’inertie ;<br />
• Les directions propres sont appelées axes principaux d’inertie.<br />
Si le point P a pour coordonnées ( x , y,<br />
z)<br />
dans la base R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
, le vecteur OP a pour<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
expression :<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
OP = x i + y j+<br />
z k<br />
et d’après ce que l’on vient de voir précédemment,<br />
I<br />
O<br />
→<br />
( V ) = −<br />
∫<br />
( S )<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
OP∧<br />
( OP∧V<br />
) dm<br />
, les éléments de la matrice d’inertie s’écriraient sous la forme :<br />
2<br />
Moment d’inertie par rapport à l’axe (Ox) : I = ∫ ( y + z<br />
2<br />
Moment d’inertie par rapport à l’axe (Oy) : I = ∫ ( x + z<br />
2<br />
Moment d’inertie par rapport à l’axe (Oz) : I = ∫ ( x + y<br />
xx<br />
yy<br />
zz<br />
( S )<br />
( S )<br />
( S )<br />
2<br />
2<br />
2<br />
) dm<br />
) dm<br />
) dm<br />
119
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Moment d’inertie par rapport au plan (Oxy) :<br />
Moment d’inertie par rapport au plan (Oxz) :<br />
Moment d’inertie par rapport au plan (Oyz) :<br />
∫<br />
I xy<br />
= xydm<br />
(S )<br />
∫<br />
I xz<br />
= xzdm<br />
(S )<br />
∫<br />
I yz<br />
= yzdm<br />
(S )<br />
: ou produit d’inertie<br />
: ou produit d’inertie<br />
: ou produit d’inertie<br />
5.2.3. Solides présentant des plans de symétrie<br />
Certains solides présentent des formes particulières admettant des plans de symétrie par<br />
rapport aux axes du repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
choisi. Pour chaque plan de symétrie, les produits<br />
d’inertie sur les deux autres plans sont nuls :<br />
(xOy)<br />
plan de symétrie ====> I I = 0<br />
xz<br />
= yz<br />
( yOz ) plan de symétrie ====> I I = 0<br />
xz<br />
= xy<br />
(xOz)<br />
plan de symétrie ====> I I = 0<br />
xy<br />
= yz<br />
a) si (xOy) est un plan de symétrie du solide<br />
P(+z) est symétrique du point P(-z) par rapport au plan (xOy) d’où :<br />
xzdm = 0 et yzdm = 0 donc I I = 0<br />
∫<br />
P∈(<br />
S )<br />
∫<br />
P∈(<br />
S )<br />
xz<br />
= yz<br />
z<br />
P(+z)<br />
I<br />
O<br />
( S)<br />
/ R<br />
⎡ I<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
− I<br />
⎢⎣<br />
0<br />
xx<br />
xy<br />
− I<br />
I<br />
yy<br />
0<br />
−→<br />
xy<br />
0 ⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
I ⎥<br />
zz ⎦<br />
y<br />
x<br />
Dans ce cas l’axe Oz qui est perpendiculaire au plan (xOy) est un axe principal d’inertie ;<br />
nous pouvons le montrer facilement par le produit suivant :<br />
P(-z)<br />
⎡ I<br />
⎢<br />
⎢<br />
− I<br />
⎢⎣<br />
0<br />
xx<br />
xy<br />
− I<br />
I<br />
yy<br />
0<br />
xy<br />
0 ⎤⎡0⎤<br />
0<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
⎥⎢<br />
0<br />
⎥<br />
= I<br />
I ⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
1⎥<br />
zz ⎦<br />
zz<br />
⎡0⎤<br />
⎢ ⎥<br />
⎢<br />
0<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
1⎥⎦<br />
120
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
En effet, tout axe orthogonal à un plan de symétrie matérielle est axe principal d’inertie sur<br />
tous les points du plan.<br />
b) si (yOz) est un plan de symétrie du solide<br />
P(+x) est symétrique du point P(-x) par rapport au plan (yOz) d’où :<br />
∫<br />
P∈(<br />
S )<br />
∫<br />
xzdm = 0 et xydm = 0 donc I I = 0<br />
P∈(<br />
S )<br />
xz<br />
= xy<br />
x<br />
P(+x)<br />
I<br />
O<br />
( S)<br />
/ R<br />
⎡I<br />
xx<br />
⎢<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎣ 0<br />
I<br />
0<br />
yy<br />
− I<br />
yz<br />
− I<br />
I<br />
0<br />
zz<br />
yz<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
y<br />
P(-x)<br />
z<br />
−→<br />
Dans ce cas l’axe Ox perpendiculaire au plan (yOz) est un axe principal d’inertie .<br />
c) si (xOz) est un plan de symétrie du solide<br />
P(+y) est symétrique du point P(-y) par rapport au plan (xOz) d’où :<br />
∫<br />
P∈(<br />
S )<br />
I<br />
∫<br />
yzdm = 0 et xydm = 0 donc I I = 0<br />
O<br />
( S)<br />
/ R<br />
⎡ I<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
− I<br />
xx<br />
xz<br />
P∈(<br />
S )<br />
I<br />
0<br />
yy<br />
0<br />
− I<br />
I<br />
zz<br />
xz<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
yz<br />
= xy<br />
z<br />
y<br />
P(+y)<br />
P(-y)<br />
x<br />
Dans ce cas l’axe<br />
−→<br />
Oy<br />
perpendiculaire au plan (xOz) est un axe principal d’inertie.<br />
5.2.4 Solides présentant un axe de symétrie<br />
Soit<br />
−→<br />
Ox<br />
un axe de symétrie matérielle d’un solide (S). Pour chaque élément de masse dm<br />
du solide ayant une coordonnée (+x) nous pouvons lui associer un élément dm symétrique<br />
−→<br />
par rapport à l’axe Ox et de coordonnée (-x) de telle sorte que: xzdm = 0 et<br />
∫<br />
P∈(<br />
S )<br />
∫<br />
P∈(<br />
S )<br />
xydm = 0<br />
121
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
On remarque de la même manière que précédemment, l’axe Ox est un axe principal d’inertie.<br />
Tout axe de symétrie matériel est un axe principal d’inertie sur tous les points de l’axe.<br />
Remarques<br />
• Tout repère orthogonal direct, dont deux de ses plans sont des plans de symétrie matérielle<br />
du solide, est un repère principal d’inertie du solide.<br />
• Tout repère orthogonal direct, dont deux de ses axes sont des axes de symétrie matérielle<br />
du solide, est un repère principal d’inertie du solide.<br />
5.3. Solides à symétrie de révolution<br />
Dans le cas des solides ayant un axe de révolution tel que (cylindre, disque, cône, etc…), la<br />
masse est répartie de façon symétrique autour de cet axe. Soit un cylindre d’axe de révolution<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Oz dans un repère orthonormé R(<br />
O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
. Tout plan passant par l’axe Oz est un plan de<br />
symétrie, d’après ce que l’on a vu précédemment tous les produits d’inertie sont nuls.<br />
I = I = I<br />
xy<br />
xz<br />
yz<br />
−→<br />
−→<br />
z<br />
z<br />
x<br />
y<br />
x<br />
y<br />
5.4. Solides à symétrie sphériques<br />
Pour tout solide à symétrie sphérique (sphère pleine où creuse)<br />
de centre O , tous les repères<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
ayant pour centre<br />
z<br />
le même point O sont des repères principaux d’inertie.<br />
Les trois axes du repère jouent le même rôle, alors tous les<br />
moments d’inertie sont égaux :<br />
x<br />
y<br />
122
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
I = I = I et tous les produits d’inertie sont nuls car tous les plans sont des plans de<br />
xx<br />
yy<br />
zz<br />
symétrie : I I = I = 0<br />
xy<br />
=<br />
xz yz<br />
Nous pouvons écrire :<br />
I<br />
I<br />
xx<br />
xx<br />
+ I<br />
=<br />
yy<br />
2<br />
3<br />
+ I<br />
zz<br />
= 3I<br />
xx<br />
=<br />
2 2<br />
∫ ( x + y + z<br />
( S )<br />
2<br />
2 2<br />
2 2<br />
2 2<br />
2 2<br />
∫ ( y + z ) dm + ∫ ( x + z ) dm + ∫ ( x + y ) dm = 2 ∫ ( x + y +<br />
( S )<br />
) dm<br />
( S )<br />
( S )<br />
( S )<br />
z<br />
2<br />
) dm<br />
5.5. Solides plans<br />
Dans le cas des solides plans, l’une des coordonnées de l’élément , dm est nulle. Si le solide<br />
est dans le plan (xOy) alors z = 0 .<br />
2<br />
2<br />
On déduit immédiatement que : I = y dm , I = x dm d’où :<br />
2 2<br />
I<br />
zz<br />
= ∫ ( x + y ) dm = I<br />
xx<br />
+ I<br />
yy<br />
; et I xz<br />
= I yz<br />
= 0 ; I xy<br />
= ∫ xydm<br />
( S )<br />
xx<br />
∫<br />
( S )<br />
yy<br />
∫<br />
( S )<br />
(S )<br />
y<br />
o<br />
x<br />
Le moment d’inertie par rapport à l’axe perpendiculaire au plan du solide est égal à la somme<br />
des moments par rapport aux deux axes du plan du solide.<br />
5.6. Moments d’inertie par rapport à O , aux axes et aux plans du repère R(<br />
O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
Le moment d’inertie d’un solide (S) déjà défini précédemment par rapport à un point O, un<br />
axe où un plan est donné par l’intégrale :<br />
∫<br />
( S )<br />
2<br />
r dm(<br />
P)<br />
où P est un point du solide et r la<br />
distance du point P par rapport au point O, par rapport à l’axe ou par rapport aux plans du<br />
repère.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
123
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
a) Moment d’inertie par rapport au point O.<br />
il est donné par :<br />
où<br />
I<br />
O<br />
=<br />
∫<br />
( S )<br />
2<br />
r dm(<br />
P)<br />
2<br />
r : représente la distance<br />
2 2<br />
alors : I = ∫ ( x + y + z<br />
O<br />
( S )<br />
2<br />
2 2 2<br />
OP = x + y +<br />
) dm(<br />
P)<br />
z<br />
2<br />
x<br />
z<br />
O<br />
P<br />
y<br />
b) Moment d’inertie par rapport aux axes<br />
b.1.) axe<br />
−→<br />
Ox<br />
il est donné par :<br />
où<br />
I<br />
xx<br />
=<br />
∫<br />
( S )<br />
2<br />
r dm(<br />
P)<br />
2<br />
r : représente la distance du point P à l’axe Ox;<br />
2 2 2<br />
2<br />
d’où OP = y + z ; alors : I = ∫ ( y + z<br />
b.2.) axe<br />
−→<br />
Oy<br />
xx<br />
( S )<br />
2<br />
) dm(<br />
P)<br />
z<br />
O<br />
x<br />
r 2<br />
P<br />
y<br />
il est donné par :<br />
où<br />
I<br />
yy<br />
=<br />
∫<br />
( S )<br />
2<br />
r dm(<br />
P)<br />
2<br />
r : représente la distance du point P à l’axe Oy ;<br />
2 2 2<br />
2<br />
d’où OP = x + z ; alors : I = ∫ ( x + z<br />
b.3.) axe<br />
−→<br />
Oz<br />
xx<br />
( S )<br />
2<br />
) dm(<br />
P)<br />
x<br />
O<br />
y<br />
r 2<br />
P<br />
z<br />
il est donné par :<br />
où<br />
I<br />
zz<br />
=<br />
∫<br />
( S )<br />
2<br />
r dm(<br />
P)<br />
2<br />
r : représente la distance du point P à l’axe Oz ;<br />
2 2 2<br />
2<br />
d’où OP = x + y ; alors : I = ∫ ( x + y<br />
zz<br />
( S )<br />
2<br />
) dm(<br />
P)<br />
y<br />
O<br />
r 2<br />
P<br />
x<br />
z<br />
124
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Les moments d’inertie par rapport aux plans (xOy), (xOz), (yOz) sont donnés en fonction de<br />
la distance qui sépare le point (P) du plan considéré, ce qui se traduit par les équations<br />
suivantes :<br />
∫<br />
2<br />
2<br />
I = z dm(<br />
P)<br />
, I = y dm(<br />
P)<br />
,<br />
xOy<br />
( S )<br />
xOz<br />
∫<br />
( S )<br />
Il résulte des différentes relations précédentes que :<br />
I<br />
yOz<br />
=<br />
∫<br />
( S )<br />
2<br />
x dm(<br />
P)<br />
a) La somme des moments d’inertie d’un solide par rapport aux trois axes d’un repère<br />
orthonormé est égale au double du moment d’inertie du solide par rapport au centre du<br />
repère.<br />
I<br />
xx<br />
xx<br />
+ I<br />
yy<br />
yy<br />
+ I<br />
zz<br />
zz<br />
=<br />
= 2<br />
∫<br />
( S )<br />
I + I + I = 2I<br />
∫<br />
( S )<br />
O<br />
( y<br />
( x<br />
2<br />
2<br />
+ z<br />
2<br />
+ y<br />
) dm +<br />
2<br />
+ z<br />
2<br />
∫<br />
( S )<br />
( x<br />
2<br />
+ z<br />
) dm = 2I<br />
O<br />
2<br />
) dm +<br />
∫<br />
( S )<br />
( x<br />
2<br />
+ y<br />
2<br />
) dm<br />
b) La somme des moments d’inertie d’un solide par rapport à deux plans perpendiculaires est<br />
égale au moment d’inertie du solide par rapport à l’axe d’intersection des deux plans.<br />
I =<br />
,<br />
yOx<br />
+ I<br />
zOx<br />
I<br />
xx<br />
I<br />
xOy<br />
I<br />
zOy<br />
= I<br />
yy<br />
+ , I<br />
xOz<br />
+ I<br />
yOz<br />
= I<br />
zz<br />
6. Détermination des axes principaux et des moments principaux d’inertie<br />
Soit une matrice d’inertie d’un solide (S), dans une base orthonormée<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
, de la<br />
forme :<br />
I<br />
( S)<br />
O / R<br />
⎡ A<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
− F<br />
⎢⎣<br />
− E<br />
− F<br />
B<br />
− D<br />
− E⎤<br />
− D<br />
⎥<br />
⎥<br />
C ⎥⎦<br />
, il existe au moins une base orthonormée de même<br />
→ → →<br />
(<br />
1 2 3<br />
centre O et de vecteurs unitaires e , e , e ) , notée O,<br />
e , e , e ) appelée base<br />
principale ou repère principal d’inertie au point O.<br />
→ → →<br />
R P<br />
(<br />
1 2 3<br />
125
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
Dans cette base principale, les axes O , e ) , O , e ) , O,<br />
e ) sont les axes principaux<br />
(<br />
1<br />
(<br />
2<br />
d’inertie et la matrice d’inertie est une matrice diagonale. Les éléments de cette diagonale sont<br />
appelés moments principaux d’inertie dans cette base.<br />
→ → →<br />
R P<br />
(<br />
1 2 3<br />
La matrice d’inertie dans la base O,<br />
e , e , e ) s’écrirait : I<br />
avec<br />
I , I , I<br />
1<br />
2<br />
→<br />
3<br />
moments principaux.<br />
→<br />
→<br />
(<br />
3<br />
O<br />
( S)<br />
/ R<br />
P<br />
⎡I1<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
Les axes O , e ) , O , e ) , O,<br />
e ) étant des axes principaux, nous pouvons écrire :<br />
(<br />
1<br />
→<br />
(<br />
2<br />
→<br />
(<br />
3<br />
0<br />
I<br />
2<br />
0<br />
0 ⎤<br />
0<br />
I<br />
3<br />
⎥ ⎥⎥ ⎦<br />
→ →<br />
) / R<br />
e1<br />
= I1<br />
1<br />
→ →<br />
2 =<br />
2 2<br />
I<br />
O<br />
( S e , I<br />
O<br />
( S<br />
R<br />
e I e ,<br />
) /<br />
I<br />
O<br />
→ →<br />
) / R<br />
e3<br />
= I<br />
3 3<br />
( S e<br />
D’une façon générale nous aurons :<br />
⎡ A<br />
⎢<br />
⎢<br />
− F<br />
⎢⎣<br />
− E<br />
− F<br />
B<br />
− D<br />
⎡<br />
− E⎤⎢<br />
e<br />
− D<br />
⎥⎢<br />
e<br />
⎥⎢<br />
C ⎥⎦<br />
⎢ e<br />
⎢⎣<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
3<br />
⎤<br />
⎥ ⎡I1<br />
⎥ =<br />
⎢<br />
0<br />
⎥ ⎢<br />
⎥ ⎢⎣<br />
0<br />
⎥⎦<br />
0<br />
I<br />
2<br />
0<br />
⎡<br />
0 ⎤⎢<br />
e<br />
0<br />
⎥⎢<br />
e<br />
⎥⎢<br />
I ⎥<br />
3 ⎦⎢<br />
e<br />
⎢⎣<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
3<br />
⎤<br />
⎥ ⎡A<br />
− I<br />
⎥ ⇔<br />
⎢<br />
⎢<br />
− F<br />
⎥<br />
⎥ ⎢⎣<br />
− E<br />
⎥⎦<br />
1<br />
− F<br />
B − I<br />
− D<br />
2<br />
− E<br />
− D<br />
C − I<br />
3<br />
⎡<br />
⎤⎢<br />
e<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
e<br />
⎢<br />
⎥⎦<br />
⎢ e<br />
⎢⎣<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
3<br />
⎤<br />
⎥ ⎡0⎤<br />
⎥ =<br />
⎢ ⎥<br />
⎢<br />
0<br />
⎥ ⎥<br />
⎥ ⎢⎣<br />
0⎥⎦<br />
⎥⎦<br />
Les vecteurs unitaires<br />
→<br />
→<br />
→<br />
( e1<br />
, e2<br />
, e3<br />
)<br />
ne sont pas nuls, alors ce système admet une solution si le<br />
A − I<br />
déterminant de la matrice est nul : − F B − I − D = 0<br />
1<br />
− E − D<br />
− F − E<br />
2<br />
C − I<br />
3<br />
La solution de cette équation scalaire donne les trois valeurs propres qui sont les moments<br />
principaux d’inertie. En reportant ces valeurs propres dans l’équation<br />
on obtient les vecteurs propres qui ne sont autre que les directions principales.<br />
I<br />
O<br />
( S)<br />
/ R<br />
→<br />
ei<br />
=<br />
I<br />
i<br />
→<br />
e<br />
i<br />
126
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
7. Moment d’inertie par rapport à un axe Δ(<br />
O,<br />
n)<br />
quelconque dans un repère<br />
→<br />
orthonormé direct<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
Soit (P) un point du solide (S) de masse m et un axe (Δ)<br />
passant par le centre O du repère<br />
de vecteur unitaire<br />
→<br />
n . Le moment d’inertie par rapport à l’axe (Δ)<br />
est donné par :<br />
2<br />
2<br />
I<br />
Δ<br />
= ∫ r dm = ∫ HP dm ; avec HP = HP<br />
− →<br />
= r<br />
( P∈S<br />
) ( P∈S<br />
)<br />
; distance de l’élément matériel dm(P)<br />
à l’axe ( Δ) , H est la projection orthogonale de P sur cet axe.<br />
→<br />
z<br />
P<br />
(Δ)<br />
o<br />
H<br />
→<br />
y<br />
→<br />
x<br />
−−→<br />
−−→<br />
−−→<br />
Nous avons : OP = OH + HP , on déduit que :<br />
→<br />
−−→<br />
−−→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
−−→<br />
n ∧ ( OH + HP)<br />
= n∧<br />
OH + n∧<br />
HP<br />
Comme<br />
→ −−→<br />
⎪⎧<br />
n// OH<br />
⎨<br />
⎪⎩<br />
→<br />
n ⊥ HP<br />
−−→<br />
et<br />
→ → −−→ → −−→ −−→<br />
n = 1 alors : n ∧ OP = n∧<br />
HP = OP = r<br />
⎧α<br />
⎧x<br />
→ −−→<br />
→<br />
−→<br />
⎪<br />
⎪<br />
Si n et OP ont pour coordonnées n = ⎨β<br />
et OP = ⎨y<br />
⎪<br />
⎩γ<br />
⎪<br />
⎩z<br />
Les composantes du vecteur unitaire<br />
→<br />
n porté par l’axe (Δ)<br />
sont appelées cosinus directeurs.<br />
Nous avons alors<br />
→<br />
−−→<br />
n∧<br />
OP<br />
⎛α<br />
⎞ ⎛ x ⎞ ⎛ βz<br />
− γy<br />
⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
= ⎜ β ⎟ ∧ ⎜ y⎟<br />
= ⎜ γx<br />
−αz<br />
⎟<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ γ ⎠ ⎝ z ⎠ ⎝αy<br />
− βx⎠<br />
127
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
−−→<br />
2<br />
→<br />
−−→<br />
2<br />
2<br />
D’où : n ∧ OP = n∧<br />
HP = ( β z − γy) + ( γx<br />
−αz) + ( αy<br />
− βx) = r<br />
En remplaçant<br />
I<br />
Δ<br />
=<br />
2<br />
2<br />
2<br />
r dans l’expression : I<br />
Δ<br />
= r dm on aboutit à :<br />
2<br />
2<br />
2<br />
∫ ( β z − γy) + ( γx<br />
− αz) + ( αy<br />
− βx)<br />
)<br />
( P∈S<br />
)<br />
dm<br />
∫<br />
( P∈S<br />
)<br />
2<br />
2<br />
I<br />
Δ<br />
2<br />
= α<br />
∫<br />
( y<br />
( P∈S<br />
)<br />
− 2αβ<br />
∫<br />
2<br />
( P∈S<br />
)<br />
+ z<br />
2<br />
xydm<br />
) dm<br />
2<br />
+ β<br />
− 2αγ<br />
∫<br />
( x<br />
( P∈S<br />
)<br />
∫<br />
( P∈S<br />
)<br />
2<br />
+ z<br />
xzdm<br />
2<br />
) dm<br />
2<br />
+ γ<br />
− 2βγ<br />
∫<br />
( x<br />
( P∈S<br />
)<br />
∫<br />
( P∈S<br />
)<br />
2<br />
+ y<br />
yzdm<br />
2<br />
) dm<br />
I<br />
= α I + β I + γ I − 2αβI<br />
− 2αγI<br />
− 2βγI<br />
2<br />
2 2<br />
Δ xx yy zz<br />
xy<br />
xz<br />
yz<br />
; cette expression représente<br />
l’ellipsoïde d’inertie, elle peut se mettre sous la forme matricielle suivante :<br />
I<br />
⎡ I − I − I ⎤⎛α<br />
⎞<br />
⎜ ⎟<br />
→<br />
= ⎢<br />
⎥⎜<br />
⎟ . I<br />
O<br />
( S).<br />
n<br />
⎢<br />
⎥⎜<br />
⎟<br />
⎣−<br />
I<br />
xz<br />
− I<br />
yz<br />
I<br />
zz ⎦⎝<br />
γ ⎠<br />
xx xy xz<br />
→<br />
⎢<br />
⎥<br />
T<br />
Δ<br />
( α , β , γ ) − I<br />
xy<br />
I<br />
yy<br />
− I<br />
yz<br />
β = n<br />
Le moment d’inertie d’un solide (S) par rapport à un axe (Δ)<br />
passant par un point O et de<br />
→<br />
vecteur unitaire n est égal au produit doublement contracté du tenseur d’inertie O par le<br />
→<br />
n<br />
vecteur unitaire .<br />
8. Produit d’inertie par rapport à deux axes orthogonaux Δ(<br />
O , u)<br />
et Δ'(<br />
O,<br />
v)<br />
→<br />
→<br />
8.1. Définition<br />
Le produit d’inertie noté I est défini comme étant l’intégrale des coordonnées x et<br />
uv<br />
u<br />
xv<br />
du point P relativement au axes Δ(<br />
O , u)<br />
et Δ'(<br />
O,<br />
v)<br />
:<br />
→<br />
→<br />
I<br />
uv<br />
=<br />
∫<br />
x<br />
u<br />
P(S )<br />
x<br />
v<br />
dm<br />
x : coordonnée de P sur l’axe Δ(<br />
O,<br />
u)<br />
tel que :<br />
u<br />
→<br />
x u<br />
−−→ →<br />
= OP•<br />
u<br />
x : coordonnée de P sur l’axe Δ'(<br />
O,<br />
v)<br />
tel que :<br />
v<br />
→<br />
−−→ →<br />
x v<br />
= OP•<br />
v<br />
128
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le tenseur d’inertie étant connu au point O , le produit d’inertie par rapport aux deux axes a<br />
pour expression :<br />
I<br />
→<br />
→<br />
uv<br />
= − v . I<br />
O<br />
( S).<br />
u<br />
8.2. Démonstration<br />
Deux propriétés vectorielles seront utilisées dans la démonstration de l’expression du produit<br />
d’inertie :<br />
- le produit mixte dont on connaît la règle de permutation :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
( V1<br />
, V2<br />
, V3<br />
) = ( V3,<br />
V1<br />
, V2<br />
) = ( V2<br />
, V3,<br />
V1<br />
)<br />
→<br />
- le double produit vectoriel dont on connaît le résultat.<br />
→<br />
→<br />
( A∧<br />
B)<br />
→ → → → → → → → → →<br />
• ( C∧<br />
D)<br />
= ( A•<br />
C)(<br />
B•<br />
D)<br />
− ( A•<br />
D)(<br />
B•<br />
C)<br />
→<br />
→<br />
→<br />
on pose :<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
A = OP , B = u , C = OP , D = v<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
( OP ∧ u)<br />
→<br />
car : ( • v ) = 0<br />
−→ → −→ → → → −→ → → −→ −→ → → −→<br />
• ( OP∧<br />
v)<br />
= ( OP•<br />
u)(<br />
u • v)<br />
− ( OP•<br />
v)(<br />
u • OP)<br />
= −(<br />
OP•<br />
v)(<br />
u • OP)<br />
→<br />
u<br />
−→ → → −→ −→ → −→ →<br />
• v)(<br />
u • OP)<br />
= −(<br />
OP∧<br />
u)<br />
• ( OP∧<br />
v)<br />
( OP<br />
( OP<br />
→<br />
−→<br />
= −(<br />
u∧<br />
OP)<br />
→ −→<br />
⎛<br />
= −⎜(<br />
u∧<br />
OP),<br />
⎝<br />
→ −→<br />
• ( v∧<br />
OP)<br />
→<br />
v,<br />
−→<br />
⎞<br />
OP)<br />
⎟<br />
⎠<br />
−→ → → −→<br />
→ −→ → −→<br />
→ −→ → −→ → −→ → −→<br />
⎛<br />
⎞ ⎛<br />
⎞<br />
• v)(<br />
u • OP)<br />
= −⎜(<br />
u∧<br />
OP),<br />
v,<br />
OP)<br />
⎟ = −⎜<br />
v,<br />
OP,<br />
( u∧<br />
OP)<br />
⎟ = − v • ( OP∧<br />
( u∧<br />
OP)<br />
⎝<br />
⎠ ⎝<br />
⎠<br />
→ → −→ −→ −→ → −→<br />
→ → −→ −→ → −→ → −→<br />
⎡<br />
⎤ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
= − v • ( • ) ( • )<br />
• ( • ) • ( •<br />
⎢<br />
u OP OP − OP u OP<br />
⎥<br />
= − ⎜ v u ⎟ OP OP + ⎜ v OP⎟<br />
u OP)<br />
⎣<br />
⎦ 14 ⎝ 44 ⎠2444<br />
3 ⎝144<br />
2⎠<br />
443<br />
1<br />
2<br />
⎧x<br />
⎧u1<br />
−→<br />
→<br />
⎪<br />
⎪<br />
Soit : OP = ⎨y<br />
; u = ⎨u<br />
2<br />
;<br />
⎪<br />
⎩z<br />
⎪<br />
⎩u3<br />
⎧v<br />
→<br />
⎪<br />
v = ⎨v<br />
⎪<br />
⎩v<br />
1<br />
2<br />
3<br />
129
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ → −→ −→<br />
⎛ ⎞<br />
2 2 2<br />
(1) : − ⎜ v • u ⎟(<br />
OP•<br />
OP)<br />
= −(<br />
v1u1<br />
+ v2u2<br />
+ v3u3<br />
)( x + y + z )<br />
⎝ ⎠<br />
2 2 2<br />
2 2 2<br />
2 2<br />
= −v 1u1(<br />
x + y + z ) − v2u2<br />
( x + y + z ) − v3u3<br />
( x + y + z<br />
2<br />
)<br />
(2)<br />
→<br />
⎛<br />
⎜ v<br />
⎝<br />
−→ → −→<br />
⎞<br />
• OP⎟(<br />
u • OP)<br />
= ( v1x<br />
+ v2<br />
⎠<br />
y + v z)(<br />
u x + u<br />
3<br />
1<br />
2<br />
y + u z)<br />
= v u<br />
3<br />
+ v<br />
+ v<br />
2<br />
3<br />
1<br />
u<br />
u<br />
1<br />
1<br />
1<br />
x<br />
2<br />
+ v u<br />
xy + v<br />
2<br />
3<br />
1<br />
u<br />
xz + v u<br />
2<br />
2<br />
2<br />
xy + v u<br />
y<br />
2<br />
1<br />
+ v<br />
3<br />
2<br />
u<br />
yz + v u<br />
3<br />
3<br />
3<br />
xz<br />
yz<br />
z<br />
2<br />
(1) + (2)<br />
⇒ x . x<br />
u<br />
v<br />
= −v<br />
u ( y<br />
1<br />
+ ( v u<br />
1<br />
1<br />
2<br />
2<br />
+ z<br />
2<br />
) − v u ( x<br />
+ v u ) xy + ( v u<br />
2<br />
1<br />
2<br />
2<br />
2<br />
1<br />
3<br />
+ z<br />
+ v u<br />
3<br />
2<br />
) − v u ( x<br />
1<br />
3<br />
3<br />
) xz + ( v u<br />
2<br />
2<br />
+ y<br />
3<br />
2<br />
)<br />
+ v u<br />
3<br />
2<br />
yz<br />
Le produit d’inertie est donné par l’intégrale :<br />
I<br />
uv<br />
=<br />
∫<br />
x<br />
u<br />
P(S )<br />
x<br />
v<br />
dm<br />
d’où<br />
I<br />
uv<br />
= −v<br />
u<br />
+ ( v u<br />
1<br />
∫<br />
( y<br />
1 1<br />
P∈S<br />
+ z<br />
+ v u )<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
∫<br />
1<br />
P∈S<br />
) dm − v u<br />
2<br />
∫<br />
2<br />
P∈S<br />
xydm + ( v u<br />
1<br />
3<br />
( x<br />
2<br />
+ z<br />
+ v u )<br />
3<br />
1<br />
2<br />
) dm − v u<br />
∫<br />
P∈S<br />
3<br />
∫<br />
3<br />
P∈S<br />
xzdm + ( v u<br />
2<br />
( x<br />
3<br />
2<br />
+ y<br />
+ v u )<br />
3<br />
2<br />
) dm<br />
∫<br />
2<br />
P∈S<br />
yzdm<br />
Cette expression s’écrira sous forme matricielle :<br />
⎡ I<br />
xx<br />
− I<br />
xy<br />
− I<br />
xz<br />
⎤⎛<br />
u1<br />
⎞<br />
⎢<br />
⎥⎜<br />
⎟<br />
I<br />
uv<br />
= ( −v1 , −v2<br />
, −v3)<br />
⎢−<br />
I<br />
xy<br />
I<br />
yy<br />
− I<br />
yz ⎥⎜u2<br />
⎟ ⇔<br />
⎢<br />
⎥⎜<br />
⎟<br />
⎣−<br />
I<br />
xz<br />
− I<br />
yz<br />
I<br />
zz ⎦⎝u3<br />
⎠<br />
I<br />
→<br />
→<br />
uv<br />
= − v . I<br />
O<br />
( S).<br />
u<br />
Le produit d’inertie du solide (S) par rapport aux axes orthogonaux Δ(<br />
O , u)<br />
et Δ'(<br />
O,<br />
v)<br />
est<br />
→<br />
→<br />
égal à l’opposé du produit doublement contracté du tenseur d’inertie<br />
→<br />
u<br />
→<br />
v<br />
unitaires et .<br />
I O<br />
(S)<br />
par les vecteurs<br />
130
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
9. Changement de repère.<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
Soit un repère orthonormé fixe: R O,<br />
x , y , z ) et un repère R O,<br />
x , y , z ) en rotation par<br />
rapport à celui-ci. A l’aide de la matrice de passage nous pouvons exprimer le moment<br />
d’inertie dans l’un des repères et le déduire dans l’autre repère et inversement.<br />
En effet nous pouvons écrire :<br />
⎛<br />
⎜ x<br />
⎜<br />
⎜ y<br />
⎜<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
⎟ ⎜ x0<br />
⎟ ⎜ x0<br />
⎟ ⎜ x1<br />
⎟<br />
⎟ ⎜ → ⎟ ⎜ → ⎟ ⎜ → ⎟<br />
⎟ = PR ⎜ ⎟<br />
y0<br />
PR<br />
0 →R<br />
y<br />
1→R<br />
y0<br />
;<br />
0<br />
⎜ ⎟ =<br />
1 ⎜ 1 ⎟ , avec :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
z0<br />
z0<br />
z1<br />
⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
P T<br />
R R<br />
P<br />
0 →<br />
=<br />
1 R1<br />
→R<br />
0<br />
La matrice de passage de vers R notée : ; permet de déduire la matrice<br />
R0<br />
1<br />
PR 0 → R 1<br />
R1<br />
0<br />
d’inertie du solide dans le repère en la connaissant dans le repère R et inversement.<br />
I<br />
I<br />
O<br />
O<br />
( S)<br />
R<br />
/<br />
T<br />
= P . ( ) .<br />
1 R0<br />
→R<br />
I<br />
1 O<br />
S<br />
R0<br />
P<br />
/ R →R<br />
( S)<br />
R<br />
/<br />
T<br />
= P . ( ) .<br />
0 R1<br />
→R<br />
I<br />
0 O<br />
S<br />
R1<br />
P<br />
/ R →R<br />
Exemple d’application :<br />
0<br />
1<br />
1<br />
0<br />
Déterminer la matrice d’inertie de la barre AB de longueur L de masse m dans le repère<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) en rotation par rapport au repère fixe R O,<br />
x , y , z ) .<br />
En déduire la matrice d’inertie dans le repère .<br />
On détermine la matrice d’inertie de la barre dans le repère<br />
R 0<br />
R 1<br />
: Nous avons un solide<br />
linéaire :<br />
dm = λdx ; y = 0 et z = 0 d’où : I I = I = 0 et = 0<br />
xy<br />
=<br />
xz yz<br />
I xx<br />
→<br />
y 1<br />
α<br />
→<br />
y 0<br />
B<br />
→<br />
x 1<br />
o<br />
α<br />
→<br />
x 0<br />
A<br />
131
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
I<br />
+ L<br />
yy<br />
=<br />
2<br />
2 2 mL<br />
= I<br />
zz<br />
= ∫ x dm = ∫ x λ dx d’où :<br />
3<br />
( S )<br />
−L<br />
I<br />
O<br />
( S)<br />
R1<br />
⎡<br />
⎢0<br />
⎢<br />
= ⎢0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢0<br />
⎣<br />
0<br />
mL<br />
3<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
mL<br />
3<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦ R<br />
1<br />
On détermine la matrice de passage de vers en exprimant les vecteurs unitaires de<br />
R 0<br />
en fonction de ceux de :<br />
R1<br />
R0<br />
R1<br />
→<br />
x<br />
1<br />
→<br />
y<br />
1<br />
→<br />
z<br />
1<br />
=<br />
→<br />
→<br />
= cosα<br />
x<br />
→<br />
= −sinα<br />
x<br />
0. x<br />
0<br />
0<br />
+<br />
→<br />
→<br />
+ sinα<br />
y<br />
0<br />
→<br />
+ cosα<br />
y<br />
0. y<br />
0<br />
0<br />
+<br />
→<br />
→<br />
+ 0. z<br />
0<br />
→<br />
+ 0. z<br />
z<br />
0<br />
0<br />
0<br />
⇒<br />
⎡<br />
⎢<br />
x<br />
⎢y<br />
⎢<br />
⎢z<br />
⎢⎣<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
⎤<br />
⎥ ⎡ cosα<br />
⎥ =<br />
⎢<br />
⎢<br />
− sinα<br />
⎥<br />
⎥ ⎢⎣<br />
0<br />
⎥⎦<br />
sinα<br />
cosα<br />
0<br />
⎡<br />
0⎤⎢<br />
x<br />
0<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
y<br />
⎢<br />
1⎥⎦<br />
⎢z<br />
⎢⎣<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
avec :<br />
⎡ cosα<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
− sinα<br />
⎢⎣<br />
0<br />
sinα<br />
cos<br />
P R 1→R<br />
α<br />
0<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
1⎥⎦<br />
et<br />
⎡cosα<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
sinα<br />
⎢⎣<br />
0<br />
− sinα<br />
T<br />
→<br />
=<br />
→<br />
cos<br />
0 R<br />
α<br />
1 R1<br />
R0<br />
P R<br />
P<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
1⎥⎦<br />
La matrice d’inertie dans le repère sera égale à :<br />
0<br />
R T<br />
I<br />
O<br />
( S)<br />
/ R<br />
= P . ( ) .<br />
0 R1<br />
→R<br />
I<br />
0 O<br />
S<br />
/ R<br />
P<br />
1 R1<br />
→R<br />
0<br />
I<br />
O<br />
⎡<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎡cosα<br />
− sinα<br />
0⎤<br />
0 0 0<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎡ cosα<br />
sinα<br />
2<br />
⎢<br />
⎥ mL<br />
( S)<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎢<br />
/ R<br />
=<br />
⎢<br />
sinα<br />
cosα<br />
0<br />
⎥<br />
0 0<br />
⎢<br />
− sinα<br />
cosα<br />
0<br />
⎢ 3 ⎥<br />
⎢⎣<br />
0 0 1⎥<br />
2<br />
⎦⎢<br />
mL ⎥<br />
⎢⎣<br />
0 0<br />
⎢0<br />
0<br />
⎣ 3<br />
⎥<br />
⎦<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
1⎥⎦<br />
I<br />
O<br />
( S)<br />
/ R0<br />
2<br />
2<br />
⎡ mL 2 mL<br />
⎢ sin α − sinα<br />
cosα<br />
⎢<br />
3<br />
3<br />
2<br />
2<br />
mL<br />
mL 2<br />
= ⎢−<br />
sinα<br />
cosα<br />
cos α<br />
⎢ 3<br />
3<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
0<br />
⎣<br />
0<br />
0<br />
mL<br />
3<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦ R<br />
0<br />
132
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
10. Translation du repère R de centre O vers un centre A<br />
On considère un solide (S) dont la matrice d’inertie est connue au point O d’un repère fixe<br />
→ → →<br />
(<br />
0 0 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) . Soit un point A de coordonnées x , y , z ) centre du repère<br />
→ → →<br />
(<br />
0 0 0<br />
→ → →<br />
(<br />
0 0 0<br />
R A,<br />
x , y , z ) en translation par rapport à R O,<br />
x , y , z ) .<br />
(<br />
A A A<br />
La matrice d’inertie au point A du solide (S) est donnée par :<br />
I<br />
A<br />
( S)<br />
R<br />
0<br />
⎡ I<br />
⎢<br />
= ⎢−<br />
I<br />
⎢<br />
⎣−<br />
I<br />
Axx<br />
Axy<br />
Axz<br />
− I<br />
I<br />
− I<br />
Axy<br />
Ayy<br />
Ayz<br />
− I<br />
− I<br />
I<br />
Axz<br />
Ayz<br />
Azz<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦ R<br />
0<br />
→<br />
z 0<br />
→<br />
x 0<br />
A<br />
→<br />
z<br />
0<br />
→<br />
y 0<br />
Les éléments de cette matrice s’obtiennent en<br />
−→<br />
remplaçant le vecteur OP comme précédemment<br />
par le vecteur<br />
−→<br />
AP dans l’opérateur d’inertie.<br />
→<br />
x 0<br />
O<br />
→<br />
y 0<br />
Nous avons en effet :<br />
−→ −→ −→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
AP = OP−<br />
OA = ( x − x<br />
A<br />
) x0 + ( y − y<br />
A<br />
) y0<br />
+ ( z − z<br />
A<br />
) z0<br />
On obtient ainsi les moments et les produits d’inertie en A :<br />
I<br />
Axx<br />
=<br />
2<br />
2<br />
∫<br />
( y − y<br />
A<br />
) + ( z − z<br />
A<br />
) )<br />
( S )<br />
dm<br />
I<br />
Axx<br />
=<br />
∫<br />
( S )<br />
( y<br />
2<br />
+ z<br />
2<br />
) dm + y<br />
∫<br />
2<br />
A<br />
( S )<br />
dm + z<br />
∫<br />
2<br />
A<br />
( S)<br />
dm − 2y<br />
∫<br />
A<br />
( S )<br />
ydm − 2z<br />
∫<br />
A<br />
( S )<br />
zdm<br />
Soit m la masse du solide (S) et G son centre d’inertie. Les coordonnées x , y , z ) du<br />
(<br />
G G G<br />
centre d’inertie dans le repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
) déjà exprimé au début du chapitre, ont pour<br />
expression :<br />
1<br />
m<br />
x<br />
G<br />
= ∫ xdm ;<br />
G<br />
= ∫<br />
( S )<br />
1<br />
1<br />
y ydm ; z<br />
G<br />
=<br />
m<br />
∫ zdm<br />
m<br />
( S )<br />
( S )<br />
∫<br />
( S )<br />
xdm = mx<br />
G<br />
∫<br />
; ydm = my ;<br />
( S )<br />
G<br />
∫<br />
( S )<br />
zdm = mz<br />
G<br />
133
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
En remplaçant ces termes dans l’expression de I Axx<br />
, on obtient :<br />
Axx<br />
Oxx<br />
2 2<br />
( y<br />
A<br />
+ z<br />
A<br />
) − 2y<br />
A<br />
yG<br />
− z<br />
AzG<br />
)<br />
2 2<br />
( x<br />
A<br />
+ z<br />
A<br />
) − 2x<br />
AxG<br />
− z<br />
AzG<br />
)<br />
2 2<br />
( x + y ) − 2x<br />
x − y y )<br />
I = I + m<br />
2 , et par permutation les autres termes<br />
I = I + m<br />
2<br />
Ayy<br />
Azz<br />
Oyy<br />
I = I + m<br />
2<br />
Ozz<br />
A<br />
A<br />
A<br />
G<br />
A<br />
G<br />
De la même manière pour les produits d’inertie nous avons :<br />
I<br />
Axy<br />
=<br />
∫ ( x − x<br />
A<br />
)( y − y<br />
A<br />
) dm = ∫ xydm − x<br />
A ∫ ydm − y<br />
A ∫ xdm +<br />
( S )<br />
( S )<br />
( S )<br />
( S )<br />
x<br />
A<br />
y<br />
∫<br />
A<br />
( S )<br />
dm<br />
I<br />
I<br />
I<br />
Axy<br />
Axz<br />
Ayz<br />
Oxy<br />
( x<br />
A<br />
yG<br />
+ y<br />
AxG<br />
− x<br />
A<br />
y<br />
A<br />
= I − m ( ) et par permutation les autres termes<br />
= I − m (<br />
Oxz<br />
= I − m (<br />
Oyz<br />
( x z + z x − x z )<br />
A<br />
G<br />
A<br />
( y z + z y − y z )<br />
A<br />
G<br />
A<br />
G<br />
G<br />
A<br />
A<br />
A<br />
A<br />
11. Théorème de HUYGENS<br />
Si le tenseur d’inertie est connu au centre d’inertie G du solide (S) dans la base<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
; alors on peut déterminer le tenseur d’inertie au point O dans la même base.<br />
Reprenons le cas précédent avec le point A qui coïncide avec le centre d’inertie du solide<br />
→ → →<br />
(<br />
0 0 0<br />
(S), nous aurons dans le repère R G,<br />
x , y , z ) :<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
GP = OP−<br />
OG<br />
→<br />
z 0<br />
→<br />
z 0<br />
→<br />
x 0<br />
G<br />
→<br />
y 0<br />
O<br />
→<br />
y 0<br />
→<br />
x<br />
0<br />
134
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
En remplaçant par les opérateurs d’inertie on obtient : I<br />
G<br />
( S)<br />
/ R<br />
= I ( )<br />
0 O<br />
S<br />
/ R<br />
− J ( )<br />
0 OG<br />
S<br />
/ R0<br />
En utilisant les relations trouvées précédemment, en changeant le centre du repère en G, nous<br />
déduisons facilement :<br />
Gxx<br />
Oxx<br />
2 2<br />
2 2<br />
( yG<br />
+ zG<br />
) − 2yG<br />
yG<br />
− 2zG<br />
zG<br />
) = I<br />
Oxx<br />
− m(<br />
yG<br />
zG<br />
)<br />
2 2<br />
2 2<br />
( xG<br />
+ z<br />
A<br />
) − 2xG<br />
xG<br />
− 2zG<br />
zG<br />
) = I<br />
Oyy<br />
− m(<br />
xG<br />
z<br />
A<br />
)<br />
2 2<br />
2 2<br />
( x + y ) − 2x<br />
x − 2y<br />
y ) = I − m(<br />
x y )<br />
I = I + m<br />
+<br />
I = I + m<br />
+<br />
Gyy<br />
Gzz<br />
Oyy<br />
I = I + m<br />
+<br />
Ozz<br />
G<br />
G<br />
G<br />
De la même manière pour les produits d’inertie nous avons :<br />
I<br />
Gxy<br />
= I − m (<br />
Oxy<br />
G<br />
G<br />
G<br />
Ozz<br />
( xG<br />
yG<br />
+ yG<br />
xG<br />
− xG<br />
yG<br />
) = I<br />
Oxy<br />
− mxG<br />
yG<br />
G<br />
G<br />
I<br />
I<br />
Gxz<br />
Gyz<br />
= I − m (<br />
Oxz<br />
= I − m (<br />
Oyz<br />
( xG<br />
zG<br />
+ zG<br />
xG<br />
− xG<br />
zG<br />
) = I<br />
Oxz<br />
− mxG<br />
zG<br />
( yG<br />
zG<br />
+ zG<br />
yG<br />
− yG<br />
zG<br />
) = I<br />
Oyz<br />
− myG<br />
zG<br />
d’où :<br />
J<br />
OG<br />
( S)<br />
R0<br />
2<br />
⎡m(<br />
yG<br />
+ z<br />
⎢<br />
= ⎢ − mxG<br />
y<br />
⎢<br />
⎣ − mxG<br />
z<br />
2<br />
G<br />
G<br />
G<br />
)<br />
− mx<br />
m(<br />
x<br />
G<br />
2<br />
G<br />
+<br />
− my<br />
G<br />
y<br />
z<br />
G<br />
2<br />
G<br />
z<br />
G<br />
)<br />
− mx<br />
− my<br />
m(<br />
x<br />
G<br />
G<br />
2<br />
G<br />
z<br />
z<br />
G<br />
G<br />
2<br />
G<br />
+ y<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
) ⎥<br />
⎦ R<br />
0<br />
Ces expressions permettent de déterminer la matrice d’inertie du solide en O :<br />
I O<br />
S<br />
( )<br />
R0<br />
, dans<br />
→ → →<br />
R( 0 0 0<br />
(<br />
R0<br />
le repère O,<br />
x , y , z ) , en connaissant la matrice d’inertie en G : I G<br />
S)<br />
dans le même<br />
repère car elle est plus souvent facile à déterminer.<br />
I = +<br />
O<br />
( S)<br />
R<br />
I ( ) ( )<br />
0 G<br />
S<br />
R<br />
J<br />
0 OG<br />
S<br />
R0<br />
Cette expression permet de connaître les six relations de Huygens, qui lient les moments<br />
d’inertie et les produits d’inertie en un point O d’un repère et le centre d’inertie G du solide<br />
dans le même repère.<br />
2 2<br />
I = I + m(<br />
y + z ) I<br />
Oxy<br />
= I<br />
Gxy<br />
+ mxG<br />
yG<br />
Oxx<br />
Gxx<br />
G<br />
G<br />
2 2<br />
I<br />
Oyy<br />
= I<br />
Gyy<br />
+ m(<br />
xG<br />
+ z<br />
A<br />
) I<br />
Oxz<br />
= I<br />
Gxz<br />
+ mxG<br />
zG<br />
2 2<br />
I<br />
Ozz<br />
= I<br />
Gzz<br />
+ m(<br />
xG<br />
+ yG<br />
) I<br />
Oyz<br />
= I<br />
Gyz<br />
+ myG<br />
zG<br />
135
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le théorème de Huygens est très pratique car il permet de déterminer le moment d’inertie<br />
d’un solide dans n’importe point O de l’espace centre du repère<br />
→ → →<br />
R(<br />
O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
, en connaissant<br />
le moment d’inertie au centre d’inertie G de coordonnées ( ( x , y , z ) par rapport au même<br />
repère.<br />
G<br />
G<br />
G<br />
Exemple :<br />
Déterminer le moment d’inertie au point O de la plaque mince rectangulaire de masse m , de<br />
longueur 2a et de largeur 2b de centre d’inertie G (a, b, 0)<br />
On détermine le moment d’inertie de la plaque au point G, puis par le théorème de Huygens,<br />
on le déduit au point O.<br />
Les plans (xGz) et (yGz) sont des plans de symétrie, alors tous les produits d’inertie sont<br />
nuls :<br />
I<br />
Gxy<br />
= I<br />
Gxz<br />
= I<br />
Gyz<br />
= 0 ; la matrice d’inertie en G est diagonale.<br />
y<br />
2b<br />
2a<br />
x<br />
Masse de la plaque : m = σ 4ab<br />
Nous avons un solide plan : z = 0 ⇒<br />
I = I + I ,<br />
Gzz<br />
Gxx<br />
Gyy<br />
I<br />
I<br />
I<br />
+ a<br />
2<br />
= 2 2<br />
2<br />
2 2 3 b mb<br />
∫ y dm = ∫ y σ ds = σ∫<br />
y dxdy = σ ∫ dx ∫ y dy = σ.2a<br />
b = σ 4ab<br />
3 3 3<br />
Gxx<br />
=<br />
S<br />
S<br />
S<br />
−a<br />
−b<br />
+ a<br />
2<br />
= 2 2<br />
2<br />
2 2 3 a ma<br />
∫ x dm = ∫ x σ ds = σ∫<br />
x dxdy = σ ∫ x dx ∫ dy = σ.<br />
a .2b<br />
= σ 4ab<br />
3<br />
3 3<br />
Gxx<br />
=<br />
S<br />
S<br />
S<br />
−a<br />
−b<br />
m<br />
= ( a<br />
3<br />
2<br />
Gzz<br />
= I<br />
Gxx<br />
+ I<br />
Gyy<br />
+<br />
b<br />
2<br />
)<br />
+ b<br />
+ b<br />
2<br />
2<br />
136
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
La matrice d’inertie au point G s’écrit :<br />
I G<br />
⎡mb<br />
⎢<br />
⎢<br />
3<br />
( S)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
ma<br />
3<br />
0<br />
2<br />
m<br />
( a<br />
3<br />
0<br />
0<br />
2<br />
+ b<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
) ⎥<br />
⎦<br />
On déduit par le théorème de Huygens :<br />
mb 4<br />
I Oxx<br />
=<br />
3 3<br />
2<br />
2<br />
2<br />
= + mb mb<br />
; mab<br />
ma 4<br />
I Oyy<br />
=<br />
3 3<br />
I Oxy<br />
= 0 +<br />
2<br />
2<br />
2<br />
= + ma ma<br />
; I Oxz<br />
= 0 + ma.0<br />
= 0<br />
m 2 2<br />
2 2 4 2 2<br />
I Oyy<br />
= ( a + b ) + m(<br />
a + b ) = m(<br />
a + b ) ; I Oyz<br />
= 0 + mb.0<br />
= 0<br />
3<br />
3<br />
La matrice d’inertie au point O est égale à :<br />
I O<br />
⎡4<br />
2<br />
⎢ mb<br />
3<br />
⎢<br />
( S)<br />
= ⎢−<br />
mab<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎣<br />
− mab<br />
4<br />
3<br />
ma<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
4<br />
m(<br />
a<br />
3<br />
2<br />
+ b<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
)<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
137
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
EXERCICES ET SOLUTIONS<br />
Exercice 01 :<br />
Déterminer le centre d’inertie des corps solides homogènes suivants :<br />
a) Un demi-cercle matériel de rayon R ;<br />
b) Un demi disque matériel de rayon R ;<br />
c) Une demi sphère matérielle creuse de rayon R ;<br />
d) Une demi sphère matérielle pleine de rayon R .<br />
y<br />
y<br />
z<br />
z<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
(a)<br />
Solution :<br />
x<br />
(b)<br />
x<br />
x<br />
a) L’axe (Oy) est un axe de symétrie donc : x = 0 , le centre de masse du solide est situé sur<br />
l’axe de symétrie. On a :<br />
y<br />
G<br />
1<br />
=<br />
m<br />
∫<br />
S<br />
dm<br />
G<br />
Le solide est linéaire ayant la forme d’un demi cercle, sa masse est donnée par :<br />
m = λ dl où : λ est la densité linéaire et dl un élément de longueur. L’élément de longueur<br />
∫<br />
S<br />
⎧R<br />
cosθ<br />
dl a pour coordonnées : dl⎨<br />
avec :<br />
⎩Rsinθ<br />
y<br />
(c)<br />
0 ≤ θ ≤ π<br />
y<br />
x<br />
(d)<br />
y<br />
(a)<br />
y<br />
o<br />
θ<br />
x<br />
La masse du solide est donnée par : m = ∫ λdl<br />
= ∫ λRdθ<br />
= λπR<br />
S<br />
dl = Rdθ<br />
x<br />
π<br />
0<br />
y<br />
G<br />
π<br />
1 1 1<br />
R π 2R<br />
= ydm yλdl<br />
R θRdθ<br />
θ<br />
m<br />
∫ =<br />
sin ( cos )<br />
m<br />
∫ =<br />
= − =<br />
λπR<br />
∫<br />
; d’où :<br />
π 0 π<br />
S<br />
S<br />
0<br />
⎧ xG<br />
= 0<br />
⎪<br />
G ⎨ 2R<br />
yG<br />
=<br />
⎪⎩ π<br />
137
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
b) L’axe (Oy) est un axe de symétrie donc : x = 0 , le centre de masse du solide est situé sur<br />
l’axe de symétrie. On a :<br />
∫<br />
y<br />
G<br />
1<br />
=<br />
m<br />
∫<br />
S<br />
dm<br />
G<br />
. Le solide est un demi disque, sa masse est donnée<br />
par : m = σds<br />
où : σ est la densité surfacique et ds un élément de surface. L’élément de<br />
S<br />
⎧r<br />
cosθ<br />
surface ds a pour coordonnées : ds⎨<br />
avec :<br />
⎩r<br />
sinθ<br />
0 ≤ θ ≤ π y<br />
d = rdθ<br />
dr<br />
La masse du solide est donnée par :<br />
m =<br />
π<br />
∫ λds<br />
= ∫ λrdθdr<br />
= λ∫<br />
rdr∫<br />
dθ<br />
=<br />
S<br />
R<br />
π<br />
πR<br />
σ<br />
2<br />
0 0 0<br />
2<br />
y<br />
o<br />
(b)<br />
θ<br />
x<br />
x<br />
y<br />
G<br />
=<br />
1<br />
m<br />
1<br />
m<br />
∫ ydm = ∫ yσds<br />
= ∫ r sinθrdθdr<br />
=<br />
S<br />
S<br />
π<br />
2<br />
2 2<br />
∫ r dr∫sinθrdθ<br />
2 2<br />
σπR<br />
πR<br />
0<br />
R<br />
0<br />
π<br />
0<br />
4R<br />
y G<br />
= d’où :<br />
3π<br />
⎧ xG<br />
= 0<br />
⎪<br />
G ⎨ 4R<br />
yG<br />
=<br />
⎪⎩ 3π<br />
c) Les plans (xOz) et (yOz) sont des plans de symétrie donc : x y = 0 , le centre de<br />
G<br />
= G<br />
masse du solide est situé sur l’axe de symétrie. On a :<br />
z<br />
G<br />
=<br />
1<br />
m<br />
∫<br />
S<br />
dm<br />
Le solide est une demi sphère creuse, sa masse est donnée par :<br />
m = σ ds où : σ est la densité surfacique et ds un élément de surface. L’élément de surface<br />
∫<br />
S<br />
ds est donné par :<br />
avec : R constant ;<br />
ds = RdθRψ<br />
cosθ<br />
et a pour coordonnées :<br />
π<br />
0 ≤ θ ≤ ; 0 ≤ ψ ≤ 2π<br />
2<br />
z<br />
ds<br />
⎧R<br />
⎪<br />
ds⎨R<br />
⎪<br />
⎩<br />
cosθ<br />
cosψ<br />
cosθ<br />
sinψ<br />
Rsinθ<br />
θ<br />
y<br />
x<br />
ψ<br />
138
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
= 2<br />
La masse du solide est donnée par : m ∫σds<br />
= σR<br />
∫ cosθdθ<br />
∫ dψ<br />
= σ 2πR<br />
S<br />
π / 2<br />
0<br />
2π<br />
0<br />
2<br />
z<br />
G<br />
=<br />
1<br />
m<br />
1<br />
m<br />
3<br />
σR<br />
σ 2πR<br />
π / 2<br />
∫ zdm = ∫ zσds<br />
= ∫ cosθ<br />
sinθdθ<br />
∫ dψ<br />
=<br />
2<br />
S<br />
S<br />
0<br />
2π<br />
0<br />
R<br />
2π<br />
π / 2<br />
∫<br />
0<br />
sinθd(sinθ<br />
)<br />
2π<br />
∫<br />
0<br />
dψ<br />
π / 2<br />
2<br />
R sin θ<br />
z G<br />
= .2π<br />
=<br />
2π<br />
2 0<br />
R<br />
2<br />
R<br />
z G<br />
= ; d’où :<br />
2<br />
⎧ xG<br />
= 0<br />
⎪<br />
G⎨<br />
yG<br />
= 0<br />
⎪<br />
⎩zG<br />
= R / 2<br />
d) Les plans (xOz) et (yOz) sont des plans de symétrie donc : x y = 0 , le centre de<br />
masse du solide est situé sur l’axe de symétrie (Oz). On a alors :<br />
G<br />
z<br />
G<br />
= G<br />
1<br />
=<br />
m<br />
Le solide est une demi sphère pleine, sa masse est donnée par : m = ρdv<br />
où : ρ est la<br />
∫<br />
S<br />
∫<br />
S<br />
dm<br />
densité volumique et dv un élément de volume. L’élément de volume<br />
par : dv = rdθ<br />
rdψ<br />
dr cosθ<br />
et a pour coordonnées :<br />
avec : 0 ≤ r ≤ R ;<br />
π<br />
0 ≤ θ ≤ ; 0 ≤ ψ ≤ 2π<br />
2<br />
La masse du solide est donnée par :<br />
m<br />
R π / 2 2π<br />
= 2<br />
∫ ρdv<br />
= ρ∫<br />
r dr ∫ cosθdθ<br />
∫<br />
S<br />
0 0<br />
0<br />
on déduit :<br />
2<br />
dψ<br />
= ρ πR<br />
3<br />
3<br />
⎧r<br />
⎪<br />
dv⎨r<br />
⎪<br />
⎩<br />
cosθ<br />
cosψ<br />
cosθ<br />
sinψ<br />
r sinθ<br />
x<br />
z<br />
ψ<br />
dv est donné<br />
ds<br />
θ<br />
y<br />
π / 2<br />
3 R<br />
R π / 2<br />
2π<br />
2<br />
4<br />
1 1<br />
R sin<br />
0<br />
z = ρ<br />
G<br />
zdm = z dv = r dr cos sin d d<br />
. .2<br />
3<br />
m m m<br />
∫<br />
ρ<br />
θ<br />
∫ ∫ ρ ∫ ∫ θ θ θ ψ =<br />
π =<br />
2 4 2<br />
S<br />
S<br />
0 0<br />
0<br />
πR<br />
ρ<br />
3<br />
3R<br />
z G<br />
= d’où :<br />
8<br />
⎧ xG<br />
= 0<br />
⎪<br />
G⎨<br />
yG<br />
= 0<br />
⎪<br />
⎩zG<br />
= 3R<br />
/ 8<br />
3<br />
8<br />
139
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 02 :<br />
Déterminer le centre d’inertie des masses linéiques homogènes suivantes :<br />
2R<br />
y<br />
R<br />
x<br />
R<br />
y<br />
2R<br />
x<br />
y<br />
2R 2R<br />
R<br />
x<br />
Exercice 03 :<br />
Déterminer le centre d’inertie de la surface triangulaire homogène suivante.<br />
y<br />
O<br />
b<br />
A<br />
a<br />
h<br />
B<br />
x<br />
y<br />
dy<br />
O<br />
B y<br />
dx<br />
h<br />
C<br />
D x E<br />
A<br />
O<br />
x<br />
F<br />
b a<br />
b<br />
A<br />
a<br />
h<br />
B<br />
x<br />
Figure 01 Figure 02 Figure 03<br />
Masse du solide plan :<br />
1<br />
m = σ S = σ. b.<br />
h<br />
2<br />
Calculons<br />
y<br />
G<br />
=<br />
1<br />
∫ ydm =<br />
m<br />
S<br />
1<br />
m<br />
∫<br />
S<br />
yσ<br />
ds<br />
(figure 02)<br />
L’élément de surface est donné par :<br />
ds = L1dy<br />
; avec L<br />
1<br />
= CD<br />
Dans les triangles semblables OAB et CBD , nous avons :<br />
CD<br />
OA<br />
h − y<br />
= ⇔<br />
h<br />
L1<br />
b<br />
=<br />
h − y<br />
h<br />
L<br />
b<br />
b<br />
= ( h − ) ce qui donne : ds = ( h − y)<br />
dy avec 0 ≤ y ≤ h<br />
h<br />
h<br />
1<br />
y<br />
y<br />
2 3<br />
1 2 b<br />
2 ⎛ hy y ⎞ h h<br />
= y ds y ( h y)<br />
dy<br />
2<br />
m<br />
∫ σ =<br />
bh<br />
∫ − = ⎜ ⎟<br />
h<br />
h<br />
−<br />
2 3<br />
0 3<br />
; h<br />
y G<br />
=<br />
S<br />
S<br />
⎝ ⎠<br />
3<br />
G<br />
=<br />
Calculons<br />
x<br />
G<br />
=<br />
1<br />
∫ xdm =<br />
m<br />
S<br />
1<br />
m<br />
∫<br />
S<br />
xσ<br />
ds<br />
(figure 03)<br />
L’élément de surface est donné par :<br />
ds = L2dx<br />
; avec L<br />
2<br />
= EF et 0 ≤ x ≤ a + b<br />
140
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Dans les triangles semblables OEF et OBC , nous avons :<br />
h<br />
L = 2<br />
. x<br />
a + b<br />
, ce qui donne : h<br />
ds = .<br />
a + b<br />
xdx<br />
EF BC L<br />
= ⇔<br />
2 h<br />
=<br />
OF OC x a + b<br />
x<br />
G<br />
a+<br />
b<br />
a+<br />
b<br />
2<br />
= 1 2 h 2<br />
2 2 ( a + b)<br />
x ds x xdx<br />
x dx<br />
m<br />
∫ σ =<br />
bh<br />
∫ =<br />
=<br />
a + b b(<br />
a + b)<br />
∫<br />
;<br />
3 b<br />
S<br />
0<br />
0<br />
2 ( a + b)<br />
=<br />
3 b<br />
x G<br />
2<br />
Exercice 04:<br />
Déterminer, par intégration et par le théorème de Guldin, les coordonnées des centres<br />
d’inertie des corps surfaciques homogènes suivants :<br />
y<br />
B<br />
y<br />
o<br />
+ α<br />
b<br />
− α A<br />
x<br />
a<br />
2R A<br />
2a<br />
Figure 01 Figure 02<br />
R<br />
x<br />
Solution :<br />
figure 01 :<br />
Centre d’inertie par intégration :<br />
Par raison de symétrie, le centre d’inertie est sur l’axe (Ox) , alors y = 0<br />
On calcule d’abord le centre d’inertie du triangle puis celui de la portion de disque, ensuite on<br />
déduit le centre d’inertie du solide.<br />
a) Centre d’inertie du triangle :<br />
masse du triangle :<br />
on choisit un élément de surface :<br />
2a.2R<br />
m1 = σ S1<br />
= σ = 2aR<br />
;<br />
2<br />
ds = CD dx L . dx ; avec : 0 ≤ x ≤ 2R .<br />
1<br />
. =<br />
1<br />
Les triangles OED et OFB sont senblables ;<br />
Nous pouvons écrire :<br />
OE<br />
OF<br />
ED x L1 / 2<br />
= ⇔ = ⇒ L1<br />
=<br />
FB 2R a<br />
a<br />
R<br />
x<br />
y<br />
o<br />
G<br />
x<br />
dx<br />
C<br />
D<br />
E<br />
2R<br />
A<br />
B<br />
F<br />
A<br />
a<br />
x<br />
141
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
x<br />
2R<br />
2R<br />
= 1 1<br />
1 a 1 2<br />
1G xdm1<br />
x ds1<br />
x xdx x dx<br />
2<br />
m<br />
∫ =<br />
1<br />
m<br />
∫ σ =<br />
1<br />
2aR<br />
∫ σ =<br />
=<br />
σ R<br />
s<br />
s<br />
0<br />
2R<br />
∫<br />
0<br />
4R<br />
3<br />
b) Centre d’inertie de la portion de disque :<br />
Masse de la portion de disque :<br />
m<br />
R + α<br />
= 2<br />
2 ∫σds2<br />
= σ ∫ rdr ∫ dθ<br />
= σ. αR<br />
s<br />
0 −α<br />
on choisit un élément de surfe ds<br />
2<br />
= rdθ.<br />
dr<br />
⎧x<br />
= r cosθ<br />
de coordonnées : ⎨<br />
⎩ y = r sinθ<br />
avec : − α ≤ θ ≤ + α et 0 ≤ r ≤ R<br />
y<br />
o<br />
+ − α α<br />
R<br />
x<br />
On déduit alors :<br />
x<br />
R<br />
1 1<br />
1<br />
2 G<br />
= ∫ xdm2<br />
= ∫ xσ<br />
ds2<br />
= ∫ xσrdr.<br />
2<br />
m2<br />
m<br />
s<br />
2 s<br />
σαR<br />
2<br />
0<br />
dθ<br />
R<br />
+ α<br />
3<br />
1 2<br />
1 R<br />
x2G = r dr cosθdθ<br />
. .2sinα<br />
2<br />
2<br />
αR<br />
∫ ∫ =<br />
=<br />
αR<br />
3<br />
0<br />
−α<br />
0<br />
2R<br />
sinα<br />
.<br />
3 α<br />
;<br />
x G<br />
=<br />
2<br />
2R<br />
sinα<br />
.<br />
3 α<br />
Centre d’inertie du solide :<br />
x<br />
G<br />
=<br />
x<br />
m − x<br />
1 G.<br />
1 2G.<br />
2 1G<br />
.<br />
1 2G.<br />
m − m<br />
1<br />
2<br />
m<br />
=<br />
x<br />
s<br />
s<br />
1<br />
− x<br />
− s<br />
2<br />
s<br />
2<br />
x G<br />
=<br />
4R<br />
2R<br />
sinα<br />
.2aR<br />
− . αR<br />
3 3 α<br />
2<br />
2aR<br />
−αR<br />
2<br />
=<br />
2R<br />
4a<br />
− R sinα<br />
.<br />
3 2a<br />
− α R<br />
Centre d’inertie du solide par le théorème de Guldin :<br />
La rotation se fait autour de l’axe Oy<br />
x<br />
G<br />
Vtot<br />
/ y<br />
=<br />
2π<br />
. S<br />
tot<br />
4R<br />
2 2R<br />
sinα<br />
(2aR).2π<br />
. − ( αR<br />
).2π<br />
.<br />
=<br />
3<br />
3 α<br />
2<br />
2π<br />
.(2aR<br />
−αR<br />
)<br />
2R<br />
4a<br />
− R sinα<br />
= .<br />
3 2a<br />
−αR<br />
figure 02 :<br />
Centre d’inertie par intégration :<br />
On calcul le centre d’inertie des trois solides (rectangle, quart de disque, disque) séparément<br />
puis on déduit le centre d’inertie du solide entier.<br />
142
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
a) Centre d’inertie du rectangle :<br />
Masse du rectangle :<br />
dm<br />
1<br />
=<br />
1<br />
σ ds = σdxdy<br />
y<br />
Avec 0 ≤ x ≤ 2a ; 0 ≤ y ≤ b ; m<br />
1<br />
= σ 2a.<br />
b<br />
x = 1 1<br />
σ<br />
G<br />
xdm = x ds = xdx dy = a<br />
m<br />
∫<br />
m<br />
∫<br />
ab<br />
∫ ∫<br />
1<br />
1<br />
σ<br />
1<br />
σ 2<br />
y<br />
1 S1<br />
1 S1<br />
2a<br />
b<br />
= 1 1<br />
σ<br />
1G ydm1<br />
y ds1<br />
dx ydy<br />
m<br />
∫ =<br />
1<br />
m<br />
∫ σ =<br />
=<br />
1<br />
σ 2ab<br />
∫ ∫<br />
S1<br />
S1<br />
0 0<br />
2a<br />
0<br />
b<br />
0<br />
b<br />
2<br />
b<br />
2a<br />
R<br />
x<br />
b) Centre d’inertie du quart de disque :<br />
On fait une translation de repère de 2a suivant l’axe (Ox) puis on calcule les coordonnés du<br />
centre de masse du quart de disque. On choisit un élément de surface :<br />
dm = σ ds =σ rd . dr avec : 0 ≤ r ≤ R ;<br />
2 2<br />
θ<br />
π<br />
0 ≤ θ ≤ ; d’où<br />
2<br />
Les coordonnées du centre de masse seront données par :<br />
m<br />
2<br />
πR<br />
= σ<br />
4<br />
2<br />
x<br />
2r<br />
π / 2<br />
2G +<br />
= 1<br />
1<br />
σ 2<br />
2a<br />
+ xdm2<br />
2a<br />
xσds2<br />
2a<br />
r dr cosθdθ<br />
2a<br />
2<br />
m<br />
∫ = +<br />
2<br />
m<br />
∫ = +<br />
=<br />
S<br />
2<br />
πR<br />
∫ ∫<br />
1<br />
S1<br />
0 0<br />
σ<br />
4<br />
4R<br />
3π<br />
y<br />
2r<br />
π / 2<br />
2G =<br />
= 1 1<br />
σ 2<br />
ydm2<br />
yσds2<br />
r dr sinθdθ<br />
2<br />
m<br />
∫ =<br />
2<br />
m<br />
∫ =<br />
2<br />
πR<br />
∫ ∫<br />
S1<br />
S1<br />
0 0<br />
σ<br />
4<br />
4R<br />
3π<br />
c) Centre d’inertie du disque :<br />
Masse du disque :<br />
m3 = σ . πa<br />
2<br />
Les coordonnées du centre de masse sont : x3 G<br />
= a et y3<br />
G<br />
= a<br />
Le solide est homogène, alors le centre d’inertie des masses est le même que le centre<br />
d’inertie des surfaces. Les coordonnées du centre d’inertie du solide qui est un système<br />
composé seront données par les relations suivantes :<br />
Sur l’axe des x :<br />
x<br />
G<br />
=<br />
x<br />
m + x<br />
− m<br />
− x<br />
+<br />
=<br />
+ x<br />
1<br />
+ s<br />
2<br />
− s<br />
− x<br />
1 G.<br />
1 2G.<br />
2 3G.<br />
3 1G<br />
.<br />
1 2G.<br />
2 3G.<br />
m + m<br />
1<br />
2<br />
m<br />
2<br />
m<br />
x<br />
s<br />
s<br />
s<br />
2<br />
+<br />
s<br />
3<br />
143
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
d’où :<br />
x G<br />
=<br />
2<br />
a ⎛ 4R<br />
⎞ πR<br />
. ab + ⎜a<br />
+ ⎟.<br />
2 ⎝ 3π<br />
⎠ 4<br />
2<br />
πR<br />
ab + −πa<br />
4<br />
2<br />
− a.<br />
πa<br />
2<br />
=<br />
2<br />
a b ⎛ 4R<br />
⎞ πR<br />
+ ⎜a<br />
+ ⎟.<br />
2 ⎝ 3π<br />
⎠ 4<br />
2<br />
πR<br />
ab + −πa<br />
4<br />
2<br />
2<br />
−πa<br />
3<br />
de même sur l’axe des y<br />
y<br />
G<br />
=<br />
y<br />
m + y<br />
− m<br />
− y<br />
+<br />
=<br />
+ y<br />
1<br />
+ s<br />
2<br />
− s<br />
− y<br />
1 G.<br />
1 2G.<br />
2 3G.<br />
3 1G<br />
.<br />
1 2G.<br />
2 3G.<br />
m + m<br />
1<br />
2<br />
m<br />
2<br />
m<br />
y<br />
s<br />
s<br />
s<br />
2<br />
+<br />
s<br />
3<br />
d’où :<br />
y G<br />
=<br />
2<br />
b 4R<br />
πR<br />
. ab + . − a.<br />
πa<br />
2 3π<br />
4<br />
2<br />
πR<br />
2<br />
ab + − πa<br />
4<br />
2<br />
=<br />
2 3<br />
ab R<br />
+ − πa<br />
2 3<br />
2<br />
πR<br />
ab + − πa<br />
4<br />
3<br />
2<br />
Les coordonnées du centre d’inertie du solide composé sont :<br />
2<br />
⎛ a b ⎛ 4R<br />
⎞ πR<br />
⎜ + ⎜a<br />
+ ⎟.<br />
⎜ 2 ⎝ 3π<br />
⎠ 4<br />
G<br />
⎜<br />
2<br />
πR<br />
⎜ ab + −πa<br />
⎝<br />
4<br />
2<br />
2<br />
− πa<br />
3<br />
,<br />
2 3<br />
ab R<br />
+ −πa<br />
2 3<br />
2<br />
πR<br />
ab + −πa<br />
4<br />
3<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
d) Par le théorème de Guldin, en faisant tourner le solide autour des axes, nous déduisons le<br />
centre d’inertie du solide composé.<br />
La rotation par rapport à l’axe y donne la coordonnée x G<br />
:<br />
x<br />
V<br />
/ y<br />
tot<br />
G<br />
= ;<br />
2π<br />
. Stot<br />
x G<br />
2<br />
2 ⎛ 4R<br />
⎞ πR<br />
2<br />
πa<br />
b + 2π<br />
⎜a<br />
+ ⎟.<br />
− πa<br />
.2πa<br />
3π<br />
4<br />
=<br />
⎝ ⎠<br />
=<br />
2<br />
⎛ πR<br />
2<br />
⎞<br />
2π<br />
⎜ab<br />
+ −πa<br />
4<br />
⎟<br />
⎝<br />
⎠<br />
La rotation par rapport à l’axe x donne la coordonnée y G<br />
:<br />
2<br />
a b ⎛ 4R<br />
⎞ πR<br />
+ ⎜a<br />
+ ⎟.<br />
2 ⎝ 3π<br />
⎠ 4<br />
2<br />
πR<br />
ab + −πa<br />
4<br />
2<br />
2<br />
−πa<br />
3<br />
y<br />
G<br />
V<br />
tot<br />
= ;<br />
2π<br />
. S<br />
/ x<br />
tot<br />
y G<br />
2 1 ⎛ 4<br />
πb<br />
. a + . ⎜ πR<br />
2 3<br />
=<br />
⎝<br />
⎛ πR<br />
2π<br />
⎜ab<br />
+<br />
⎝ 4<br />
3<br />
2<br />
⎞ 2<br />
⎟ −πa<br />
.2πa<br />
⎠<br />
2<br />
⎞<br />
−πa<br />
⎟<br />
⎠<br />
=<br />
2 3<br />
ab R<br />
+ −πa<br />
2 3<br />
2<br />
πR<br />
ab + −πa<br />
4<br />
3<br />
2<br />
144
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 05:<br />
En faisant tourner la surface limitée par l’axe oy, la courbe parabolique d’équation<br />
y 2 = 4ax<br />
et la droite d’équation<br />
y = 2a<br />
, nous obtenons un volume, comme représenté sur la figure cidessous.<br />
Déterminer le centre d’inertie de ce volume.<br />
y<br />
y = 2a<br />
B(a,2a)<br />
y<br />
dy<br />
y<br />
y 2 = 4ax<br />
dy<br />
y<br />
dv = π x<br />
2<br />
dy<br />
x<br />
x<br />
z<br />
x<br />
Solution :<br />
Nous avons<br />
y 2 = 4ax<br />
⇒<br />
2<br />
y ⎧x = 0<br />
x = pour : ⎨<br />
4a<br />
⎩ x = a<br />
⇒<br />
⇒<br />
y = 0<br />
y = 2a<br />
La rotation de cette surface par rapport à l’axe des y donne un solide de révolution d’axe y.<br />
Par raison de symétrie, le centre de masse sera sur l’axe Oy, alors : x = 0 et = 0<br />
A un hauteur y , on choisi un élément de volume (couronne) dv ayant une surface circulaire<br />
2<br />
2<br />
égale à π x et d’épaisseur dy tel que : dv = π x dy avec 0 ≤ y ≤ 2a<br />
G<br />
y G<br />
Le volume total décrit par la rotation de cette surface est égal à :<br />
V<br />
2a<br />
2a<br />
4<br />
5<br />
2a<br />
2<br />
⎛ y ⎞ π ⎡ y ⎤<br />
∫ π x dy = π<br />
⎜ dy = . =<br />
2<br />
2 ⎢ ⎥<br />
5<br />
0<br />
0<br />
16a<br />
⎟<br />
⎝ ⎠ 16a<br />
⎣ ⎦ 0<br />
= ∫<br />
2<br />
πa<br />
5<br />
3<br />
La coordonnée du centre de masse du volume suivant l’axe Oy est donnée par :<br />
y<br />
G<br />
=<br />
1<br />
m<br />
∫<br />
S<br />
ydm =<br />
1<br />
ρV<br />
∫<br />
S<br />
1<br />
yρdv<br />
=<br />
V<br />
2a<br />
∫<br />
0<br />
2 1<br />
y.<br />
πx<br />
. dy =<br />
V<br />
2a<br />
∫<br />
0<br />
2<br />
⎛ y<br />
⎟ ⎞<br />
y.<br />
π<br />
⎜<br />
⎝ 4a<br />
⎠<br />
2<br />
. dy<br />
y<br />
G<br />
2a<br />
π 5 π<br />
= y . dy<br />
16a<br />
V<br />
∫ =<br />
2 2<br />
0<br />
3<br />
16a<br />
. πa<br />
5<br />
6<br />
⎡ y ⎤<br />
⎢ ⎥<br />
⎣ 6 ⎦<br />
2a<br />
2<br />
=<br />
0<br />
5<br />
a<br />
3<br />
145
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 06:<br />
Déterminer le centre d’inertie du disque homogène après avoir percé un trou de rayon r ,<br />
comme indiqué sur la figure.<br />
y<br />
r<br />
x<br />
Exercice 07:<br />
Déterminer les coordonnées du centre d’inertie, par le théorème de Guldin, des solides<br />
homogènes suivants :<br />
y<br />
y a<br />
Solution :<br />
a) figure 01 :<br />
R<br />
R<br />
R<br />
Figure 01<br />
x<br />
b<br />
Figure 02<br />
Le solide est constitué d’un demi disque évidé d’un triangle isocèle dont la base est le<br />
diamètre du disque et la hauteur le rayon du disque.<br />
Par raison de symétrie le solide a son centre d’inertie sur l’axe des y , d’où : x G<br />
= 0<br />
2r x<br />
x<br />
y<br />
G<br />
Vtot<br />
/ x<br />
=<br />
2π<br />
. S<br />
tot<br />
b) figure 02 :<br />
Vol(<br />
sphère)<br />
−Vol(2cônes)<br />
=<br />
2π<br />
.( S − S )<br />
disque<br />
triangle<br />
=<br />
4 3 1 3<br />
πR<br />
− 2. πR<br />
3 3<br />
2<br />
πR<br />
2<br />
2π<br />
.( − R )<br />
2<br />
=<br />
2 R<br />
.<br />
3 π − 2<br />
Le solide est constitué d’une plaque rectangulaire évidée d’un demi disque.<br />
2 1 2<br />
a . b r .2 ( a r)<br />
2 2<br />
V / y Vol(<br />
cylindre)<br />
−Vol<br />
π − π π −<br />
tot<br />
( demi−torre)<br />
2<br />
a b −πr<br />
( a − r)<br />
xG<br />
= =<br />
=<br />
=<br />
2<br />
2<br />
2π<br />
. Stot<br />
2π<br />
.( S<br />
disque<br />
− Striangle<br />
)<br />
πr<br />
2ab<br />
−πr<br />
2π<br />
.( ab − )<br />
2<br />
2 4 3<br />
b . a r<br />
2 3<br />
V / x Vol(<br />
cylindre)<br />
−Vol<br />
π − π<br />
tot<br />
( sphère)<br />
3 3ab<br />
− 4r<br />
)<br />
yG<br />
= =<br />
=<br />
=<br />
2<br />
2<br />
2π<br />
. Stot<br />
2π<br />
.( S<br />
disque<br />
− Striangle<br />
)<br />
πr<br />
3(2ab<br />
−πr<br />
2π<br />
.( ab − )<br />
2<br />
146
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 08:<br />
Déterminer par le théorème de Guldin le centre d’inertie des solides homogènes suivants :<br />
y<br />
y<br />
y<br />
y<br />
R<br />
b<br />
R<br />
b<br />
R a<br />
a x<br />
a x a x b x<br />
Exercice 09:<br />
Calculer les volumes engendrés par la rotation des surfaces ci-dessous autour de l’axe y ?<br />
y<br />
y<br />
y<br />
R<br />
y<br />
b<br />
R<br />
b<br />
b a<br />
a<br />
x a x<br />
x a<br />
x<br />
Exercice 10:<br />
Déterminer le centre d’inertie d’un cône de hauteur h et de rayon de base R par rapport à son<br />
sommet.<br />
z<br />
z<br />
R<br />
R<br />
h<br />
h<br />
z<br />
r<br />
dv = πr<br />
2<br />
dz<br />
x<br />
y<br />
x<br />
y<br />
Par raison de symétrie le centre d’inertie du cône est situé sur l’axe Oz. On choisit un élément<br />
2<br />
r R<br />
R<br />
de volume : dv = πr<br />
dz et situé à une hauteur z tel que : = ⇒ r = z<br />
z h<br />
h<br />
Le centre d’inertie est donné par :<br />
z<br />
G<br />
=<br />
1<br />
m<br />
∫<br />
S<br />
zdm<br />
avec :<br />
0 ≤ z ≤ h<br />
Calculons d’abord la masse du cône. Nous avons :<br />
dm = ρdv<br />
h<br />
2<br />
2 3<br />
R<br />
R h<br />
m = 2<br />
2<br />
1 2<br />
ρ ∫ dv = ρ∫πr<br />
dz = ρπ ∫ z dz = ρπ . = ρ πR<br />
. h<br />
2<br />
2<br />
h<br />
h 3 3<br />
S<br />
S<br />
0<br />
d’où :<br />
z<br />
G<br />
h<br />
h<br />
2<br />
h<br />
= 1 1<br />
2 3 ⎛ R 2<br />
⎞ 3 3<br />
zdm z r dz z z dz z dz<br />
m<br />
∫ =<br />
2<br />
3<br />
m<br />
∫ ρπ =<br />
= =<br />
2<br />
S<br />
0<br />
R h<br />
∫ ρπ<br />
⎜<br />
0<br />
h<br />
⎟<br />
ρπ ⎝ ⎠ h<br />
∫<br />
0<br />
3<br />
h<br />
4<br />
147
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 11 :<br />
Déterminer les tenseurs d’inertie en O relativement au repère orthonormé<br />
R( O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
des<br />
solides homogènes (S) suivants :<br />
1. (S) est une barre AB de longueur L, de milieu O, portée par l’axe Oy ;<br />
2. (S) est un cercle de centre O, de rayon R, d’axe Oz ;<br />
3. (S) est un disque de centre O, de rayon R, d’axe Oz ;<br />
4. (S) est une sphère creuse de centre O, de rayon R ;<br />
5. (S) est une sphère pleine de centre O, de rayon R ;<br />
6. (S) est une plaque rectangulaire de dimension a x b de centre de gravité O, l’axe Oz est<br />
perpendiculaire à la plaque ;<br />
7. (S) est un parallélépipède plein de dimension 2a x 2b x 2c et le centre du repère est en O<br />
milieu du côté 2a .<br />
Solution :<br />
1. Le solide est une barre de longueur L<br />
Nous avons un solide linéaire AB = L de<br />
masse m et de densité linéaire λ tel que :<br />
m = ∫ dm = ∫λ dy = λ. L ⇒<br />
S<br />
S<br />
λ =<br />
m<br />
L<br />
On choisit un élément de longueur dy ayant<br />
pour coordonnées : (0, y, 0) tel que :<br />
Les moments d’inertie sont données par :<br />
− L ≤ y ≤ + L<br />
-L/2<br />
z<br />
O<br />
L/2<br />
A B<br />
dy<br />
x<br />
y<br />
2 2<br />
I = ∫ ( y + z ) dm<br />
xx<br />
S<br />
2 2<br />
; I = ∫ ( x + z ) dm ;<br />
yy<br />
S<br />
2 2<br />
I = ∫ ( x + y ) dm<br />
zz<br />
S<br />
Les produits d’inertie sont données par : I<br />
xy<br />
= ∫ xydm ; I<br />
xz<br />
= ∫ xzdm ;<br />
S<br />
S<br />
∫<br />
I yz<br />
= yzdm<br />
S<br />
On remarque que les axes Ox et Oz jouent le même rôle vis à vis du solide, alors :<br />
I = I<br />
xx<br />
zz<br />
L’élément de longueur choisi a pour coordonnées x = 0 et z = 0 alors<br />
I yy<br />
= 0<br />
et tous les<br />
produis d’inertie sont nuls :<br />
I<br />
xy<br />
= I<br />
xz<br />
= I<br />
yz<br />
= 0<br />
148
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
I<br />
L / 2<br />
L / 2<br />
xx<br />
= ∫<br />
=<br />
S<br />
−L<br />
/ 2<br />
−L<br />
/ 2<br />
3<br />
3<br />
2 2 y λL<br />
mL<br />
y dm = ∫ y λ dy = λ =<br />
3 12 12<br />
2<br />
I<br />
L / 2<br />
L / 2<br />
xx<br />
= ∫<br />
=<br />
S<br />
−L<br />
/ 2<br />
−L<br />
/ 2<br />
3<br />
3<br />
2 2 y λL<br />
mL<br />
y dm = ∫ y λ dy = λ =<br />
3 12 12<br />
2<br />
Le tenseur d’inertie de la barre au point O est :<br />
I O<br />
⎡mL<br />
⎢<br />
⎢<br />
12<br />
=<br />
⎢<br />
0<br />
⎢ 0<br />
⎢⎣<br />
2<br />
0<br />
0<br />
0<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
0<br />
⎥<br />
2 ⎥<br />
mL ⎥<br />
12 ⎥⎦<br />
2. Le solide est un cercle de rayon R de centre O et d’axe Oz<br />
Le périmètre du cercle est égal à :<br />
La masse du solide est donnée par :<br />
L = 2πR<br />
m = λL<br />
= λ.<br />
2πR<br />
y<br />
Les plans (xOz) et (yOz) sont des plans de symétrie<br />
alors tous les produits d’inertie sont nuls : I I = I = 0<br />
xy<br />
=<br />
xz yz<br />
On voit aussi que les axes Ox et Oy jouent le même<br />
y<br />
O<br />
R<br />
θ<br />
x<br />
x<br />
rôle par rapport au solide alors les moments d’inertie<br />
suivant ces axes sont égaux :<br />
I = I<br />
xx<br />
yy<br />
Nous avons un solide dans le plan (xOy), alors quel que soit l’élément de masse dm choisi il<br />
aura pour coordonnées : (x, y, 0) , et nous avons aussi dans le cercle :<br />
2 2<br />
x + y =<br />
R<br />
2<br />
I<br />
= ∫ ∫<br />
2 2<br />
2<br />
2<br />
zz<br />
( x + y ) dm = R dm = mR<br />
S<br />
S<br />
I<br />
xx<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
y<br />
2<br />
dm<br />
et<br />
I<br />
yy<br />
= ∫<br />
S<br />
x<br />
2<br />
dm<br />
, en faisant la somme des deux moments d’inertie nous<br />
2 2<br />
obtenons : I + I = ∫ ( x + y ) dm = I , or nous avons l’égalité :<br />
alors :<br />
xx<br />
2I<br />
xx<br />
= I zz<br />
yy<br />
S<br />
⇒<br />
zz<br />
I<br />
zz<br />
I<br />
xx<br />
= alors : I<br />
2<br />
= I<br />
xx yy<br />
=<br />
2<br />
mR<br />
2<br />
I<br />
xx<br />
= I yy<br />
Dans un solide plan, le moment d’inertie suivant l’axe perpendiculaire au plan est égale à la<br />
somme des moments suivant les deux axes du plan.<br />
149
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le tenseur d’inertie d’un cercle en O est :<br />
I O<br />
⎡mR<br />
⎢<br />
⎢<br />
2<br />
( S)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎢<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
mR<br />
2<br />
0<br />
2<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
2<br />
mR ⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
Nous pouvons aussi calculer les moments d’inerties I et I autrement :<br />
xx<br />
yy<br />
On choisi un élément de longueur<br />
dl = Rdθ<br />
ayant pour coordonnées ( R cos θ , R sinθ<br />
, 0)<br />
Nous aurons ainsi :<br />
I<br />
xx<br />
2π<br />
2<br />
= ∫ y dm = ∫<br />
S<br />
0<br />
R<br />
2<br />
2<br />
sin θdθ<br />
= λ.<br />
πR<br />
3<br />
Or nous avons :<br />
obtient :<br />
m = λ.<br />
2πR<br />
⇒<br />
m<br />
λ = en remplaçant λ dans l’expression de I xx<br />
, on<br />
2πR<br />
2<br />
mR<br />
I xx<br />
= . On obtient I<br />
yy<br />
de la même manière.<br />
2<br />
3. Le solide est cercle de rayon R de centre O et d’axe Oz<br />
La surface du disque est :<br />
2<br />
S = πR<br />
La masse du solide est donnée par :<br />
m = σ R = σ . πR<br />
Les plans (xOz) et (yOz) sont des plans de symétrie alors<br />
tous les produits d’inertie sont nuls : I I = I = 0<br />
2<br />
xy<br />
=<br />
xz yz<br />
y<br />
y<br />
ds = rdθ.<br />
dr<br />
On voit aussi que les axes Ox et Oy jouent le même<br />
rôle par rapport au solide alors les moments d’inertie<br />
O<br />
r<br />
θ<br />
x<br />
x<br />
suivant ces axes sont égaux :<br />
I = I<br />
xx<br />
yy<br />
Nous avons un solide dans le plan (xOy), on choisi un élément de masse<br />
tel que :<br />
0 ≤ r ≤ R et 0 ≤ θ ≤ 2π<br />
⎧x<br />
= r cosθ<br />
⎪<br />
Les coordonnées de cet élément sont : dm⎨<br />
y = r sinθ<br />
, et nous avons aussi :<br />
⎪<br />
⎩ z = 0<br />
dm = σ ds = σrdθ.<br />
dr<br />
2 2<br />
x + y =<br />
r<br />
2<br />
150
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
I<br />
R<br />
4<br />
2<br />
= 2 2<br />
2<br />
3<br />
R<br />
2 R mR<br />
∫ ( x + y ) dm = ∫ r σrdθ.<br />
dr = σ ∫ r dr.<br />
∫ dθ<br />
= σ.<br />
.2π<br />
= σπR<br />
.<br />
4<br />
2 2<br />
zz<br />
=<br />
S<br />
S<br />
0 0<br />
2π<br />
2<br />
I<br />
xx<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
y<br />
2<br />
dm<br />
et<br />
I<br />
yy<br />
= ∫<br />
S<br />
x<br />
2<br />
dm<br />
, en faisant la somme des deux moments d’inertie nous<br />
2 2<br />
obtenons : I + I = ∫ ( x + y ) dm = I , or nous avons l’égalité :<br />
alors :<br />
xx<br />
2I<br />
xx<br />
= I zz<br />
yy<br />
S<br />
⇒<br />
zz<br />
I<br />
zz<br />
I<br />
xx<br />
= alors : I<br />
2<br />
= I<br />
xx yy<br />
=<br />
2<br />
mR<br />
4<br />
I<br />
xx<br />
= I yy<br />
Dans un solide plan, le moment d’inertie suivant l’axe perpendiculaire au plan est égale à la<br />
somme des moments suivant les deux axes du plan.<br />
Le tenseur d’inertie d’un disque en O est :<br />
I O<br />
⎡mR<br />
⎢<br />
⎢<br />
4<br />
( S)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
mR<br />
4<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
mR<br />
2<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
4. Le solide est une sphère creuse de rayon R de centre O .<br />
L’élément de surface ds est repéré par les coordonnées sphériques : ( R , θ , ψ ) tel que :<br />
⎧R<br />
⎪<br />
ds⎨R<br />
⎪<br />
⎩<br />
cosθ<br />
cosψ<br />
cosθ<br />
sinψ<br />
Rsinθ<br />
z<br />
ds<br />
Avec :<br />
π π<br />
− ≤ θ ≤ et 0 ≤ ψ ≤ 2π<br />
2 2<br />
Nous avons alors :<br />
2 2 2<br />
x + y + z =<br />
R<br />
2<br />
R<br />
O<br />
ψ<br />
θ<br />
y<br />
La surface de l’élément choisi est donnée par :<br />
2<br />
ds = Rdθ.<br />
Rdψ.cosθ<br />
= R cosθdθ.<br />
dψ<br />
x<br />
151
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
π / 2<br />
2<br />
Masse de la sphère creuse : m = ∫σds<br />
= ∫σR<br />
cosθdθ.<br />
∫ dψ<br />
= σ.4πR<br />
S<br />
−π<br />
/ 2<br />
Les plans (xOy), (xOz) et (yOz) sont des plans de symétrie alors tous les produits d’inertie sont<br />
nuls : I I = I = 0<br />
xy<br />
=<br />
xz yz<br />
On voit aussi que les axes Ox, Oy et Oz jouent le même rôle par rapport au solide alors les<br />
moments d’inertie suivant ces axes sont égaux :<br />
2 2<br />
2 2<br />
2<br />
∫ ( y + z ) dm + ∫ ( x + z ) dm + ∫ ( x +<br />
2<br />
I + I + I =<br />
y ) dm<br />
xx<br />
yy<br />
zz<br />
S<br />
= ∫<br />
∫<br />
2 2 2<br />
2<br />
2<br />
3I<br />
xx<br />
2 ( x + y + z ) dm = 2 R dm = 2mR<br />
S<br />
S<br />
S<br />
xx<br />
2π<br />
yy<br />
0<br />
I = I = I , nous pouvons écrire :<br />
S<br />
zz<br />
2<br />
d’où :<br />
I<br />
xx<br />
=<br />
2 mR<br />
3<br />
2<br />
Le tenseur d’inertie en O d’une sphère creuse est :<br />
I O<br />
⎡2<br />
⎢<br />
mR<br />
3<br />
⎢<br />
( S)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
2<br />
mR<br />
3<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
2<br />
mR<br />
3<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
2<br />
5. Le solide est une sphère pleine de rayon R de centre O .<br />
L’élément de volume dv est repéré par les coordonnées sphériques : ( r , θ , ψ ) tel que :<br />
⎧r<br />
⎪<br />
dv⎨r<br />
⎪<br />
⎩<br />
Avec :<br />
cosθ<br />
cosψ<br />
cosθ<br />
sinψ<br />
r sinθ<br />
π π<br />
− ≤ θ ≤ et 0 ≤ ψ ≤ 2π<br />
,<br />
2 2<br />
Nous avons alors :<br />
2 2 2<br />
x + y + z =<br />
r<br />
2<br />
0 ≤ r ≤ R<br />
Le volume de l’élément choisi est donnée par :<br />
z<br />
R<br />
O<br />
ψ<br />
θ<br />
dv<br />
y<br />
2<br />
dv = rdθ . rdψ.<br />
dr cosθ<br />
= r cosθdθ.<br />
dψ.<br />
dr<br />
x<br />
152
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Masse de la sphère pleine :<br />
m =<br />
∫<br />
S<br />
ρ dv =<br />
∫<br />
S<br />
ρ r<br />
2<br />
cosθdθ.<br />
dψ.<br />
dr = ρ r<br />
R<br />
∫<br />
0<br />
2<br />
dr.<br />
π / 2<br />
∫<br />
−π<br />
/ 2<br />
cosθdθ.<br />
2π<br />
∫<br />
0<br />
dψ<br />
4<br />
m = ρ. . πR<br />
3<br />
3<br />
Les plans (xOy), (xOz) et (yOz) sont des plans de symétrie alors tous les produits d’inertie sont<br />
nuls :<br />
I<br />
xy<br />
= I<br />
xz<br />
= I<br />
yz<br />
= 0 . On voit aussi que les axes Ox, Oy et Oz jouent le même rôle par<br />
rapport au solide alors les moments d’inertie suivant ces axes sont égaux : I = I = I ,<br />
nous pouvons écrire :<br />
2 2<br />
2 2<br />
2<br />
∫ ( y + z ) dm + ∫ ( x + z ) dm + ∫ ( x +<br />
2<br />
I + I + I =<br />
y ) dm<br />
xx<br />
yy<br />
zz<br />
S<br />
S<br />
S<br />
xx<br />
yy<br />
zz<br />
R π / 2<br />
2π<br />
5<br />
2 R<br />
2 2<br />
2<br />
4<br />
3I<br />
= xx<br />
2∫<br />
( x + y + z ) dm = 2∫<br />
r dm = 2ρ∫<br />
r dr.<br />
∫ cosθdθ.<br />
∫ dψ<br />
= 2ρ.<br />
5<br />
S<br />
S<br />
0<br />
−π<br />
/ 2<br />
0<br />
4π<br />
d’où :<br />
2R<br />
3I xx<br />
R<br />
5<br />
2<br />
3<br />
= ρ.4π<br />
⇒<br />
2R<br />
5<br />
4<br />
3<br />
2<br />
3<br />
I xx<br />
= ρ . πR<br />
=<br />
2<br />
mR<br />
5<br />
2<br />
I<br />
xx<br />
= I<br />
yy<br />
= I<br />
zz<br />
=<br />
2 mR<br />
5<br />
2<br />
Le tenseur d’inertie en O d’une sphère pleine est :<br />
I O<br />
⎡2<br />
⎢<br />
mR<br />
5<br />
⎢<br />
( S)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
2<br />
mR<br />
5<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
2<br />
mR<br />
5<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
2<br />
Exercice 12 :<br />
Déterminer les tenseurs d’inertie en O relativement au repère orthonormé R(<br />
O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
des<br />
solides homogènes (S) suivants : quart de cercle, quart de disque, demi-sphère creuse, demisphère<br />
pleine.<br />
153
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
y<br />
y<br />
y<br />
y<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
x<br />
x<br />
x<br />
x<br />
z<br />
z<br />
z<br />
z<br />
Fig :01 Fig :02 Fig :03 Fig :04<br />
a) Calculer pour chacun des solides le moment d’inertie par rapport à la droite (Δ) passant<br />
par le point O et le point A de coordonnées (R, R, 0) ;<br />
b) Déterminer les axes principaux d’inertie pour chaque solide.<br />
Solution :<br />
fig : 01 Le solide est linéaire de longueur :<br />
On considère un élément de longueur :<br />
avec :<br />
dl = λRdθ<br />
π<br />
0 ≤ θ ≤ , de coordonnées ( 0,<br />
R cosθ , R sinθ<br />
)<br />
2<br />
Les axes Oy et Oz jouent le même rôle alors :<br />
L = πR donc de masse :<br />
2<br />
I = I<br />
Nous avons un solide dans le plan (xOy), alors quel que<br />
soit l’élément de masse dm choisi il aura pour<br />
coordonnées : (x, y, 0) et nous avons aussi dans le cercle :<br />
yy<br />
zz<br />
2 2<br />
x + y =<br />
y<br />
R<br />
πR<br />
m = λ<br />
2<br />
z<br />
O<br />
2<br />
z<br />
R<br />
θ<br />
dl = λRdθ<br />
y<br />
x<br />
I<br />
= ∫ ∫<br />
2 2<br />
2<br />
2<br />
zz<br />
( x + y ) dm = R dm = mR<br />
S<br />
S<br />
I<br />
xx<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
y<br />
2<br />
dm<br />
et<br />
I<br />
yy<br />
= ∫<br />
S<br />
x<br />
2<br />
dm<br />
, en faisant la somme des deux moments d’inertie nous<br />
2 2<br />
obtenons : I + I = ∫ ( x + y ) dm = I , or nous avons l’égalité :<br />
xx<br />
yy<br />
S<br />
zz<br />
I<br />
xx<br />
= I yy<br />
154
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
alors :<br />
2I<br />
xx<br />
= I zz<br />
⇒<br />
I<br />
zz<br />
I<br />
xx<br />
= alors :<br />
2<br />
I<br />
= I<br />
xx yy<br />
=<br />
2<br />
mR<br />
2<br />
Calcul du produit d’inertie<br />
∫<br />
I xy<br />
= xydm<br />
S<br />
I<br />
π / 2<br />
π / 2<br />
3 2<br />
xy<br />
=<br />
3<br />
= 3<br />
R 2m<br />
R<br />
∫ xydm = ∫ R cosθ.<br />
Rsinθ.<br />
λRdθ<br />
= λR<br />
∫ sinθd(sinθ<br />
) = λ = .<br />
2 πR<br />
2<br />
S<br />
0 0<br />
Le tenseur d’inertie du quart de cercle en O est :<br />
2<br />
⎡ mR mR<br />
⎢ −<br />
⎢<br />
2 π<br />
2<br />
2<br />
= ⎢ mR mR<br />
I O<br />
( S)<br />
−<br />
⎢ π 2<br />
⎢ 0 0<br />
⎢<br />
⎣<br />
2<br />
mR<br />
π<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
2<br />
mR ⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
2) Moment d’inertie I<br />
Δ<br />
par rapport à la droite (Δ)<br />
passant par O(0,0,0) et A(R, R, 0)<br />
Soit le vecteur unitaire porté par cette droite , il s’écrit :<br />
→<br />
u<br />
−−→ → →<br />
→<br />
OA R i + R j 2<br />
→<br />
2<br />
→<br />
2<br />
→ →<br />
u = = = i + j = ( i + j)<br />
OA 2 2<br />
R + R 2 2 2<br />
Le moment d’inertie par rapport à la droite (Δ)<br />
est défini par :<br />
I<br />
Δ<br />
→<br />
T<br />
= u<br />
. I<br />
O<br />
→ ⎛<br />
( S).<br />
u = ⎜<br />
⎝<br />
2<br />
2<br />
,<br />
2<br />
⎡ mR<br />
⎢<br />
⎢<br />
2<br />
2<br />
2 ⎞<br />
⎟⎢<br />
mR<br />
,0<br />
−<br />
2 ⎠<br />
⎢ π<br />
⎢ 0<br />
⎢<br />
⎣<br />
mR<br />
−<br />
π<br />
2<br />
mR<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
mR<br />
2<br />
⎤⎛<br />
⎥<br />
⎜<br />
⎥<br />
⎜<br />
⎥<br />
⎜<br />
⎥<br />
⎜<br />
⎥<br />
⎜<br />
⎥<br />
⎜<br />
⎦<br />
⎜<br />
⎝<br />
2 ⎞<br />
⎟<br />
2 ⎟<br />
2 ⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
0 2 ⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎡ A − C 0⎤⎛1⎞<br />
⎛1⎞<br />
⎛ ⎞<br />
⎟<br />
⎜ ⎟<br />
I<br />
⎢<br />
⎥⎜<br />
1<br />
1<br />
⎜ ⎟<br />
Δ<br />
=<br />
⎢<br />
⎥⎜<br />
⎟<br />
⎜ ⎟<br />
) =<br />
⎝ 2 ⎠ ⎢ B⎥⎜<br />
⎟ 2<br />
⎜ ⎟ 2<br />
⎣ 0 0 ⎦⎝0⎠<br />
⎝0⎠<br />
( 1,1,0 ) − C A 0 1 = ( A − C,<br />
− C + A,<br />
0) 1 = ( A − C − C + A A - C<br />
2 2 π<br />
I<br />
Δ<br />
=<br />
mR<br />
2<br />
2<br />
mR<br />
−<br />
2<br />
155
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3) Calcul des moments principaux d’inertie.<br />
I1<br />
I<br />
2 3<br />
Si , , I sont les moments principaux d’inertie , ils sont solution du déterminant :<br />
A − I<br />
− C<br />
0<br />
− C<br />
A − I<br />
0<br />
0<br />
0<br />
B − I<br />
= 0<br />
2 2<br />
⇒ ( B − I)<br />
[(<br />
A − I)<br />
− C ] = 0<br />
)( A − I − C)( A − I + C) 0<br />
( B − I<br />
=<br />
on déduit alors :<br />
I =<br />
1<br />
B<br />
⇒<br />
2<br />
I<br />
1<br />
= mR<br />
I = A + C<br />
I<br />
2<br />
⇒<br />
= A − C<br />
3<br />
⇒<br />
2<br />
mR mR<br />
I<br />
2<br />
= +<br />
2 π<br />
I<br />
3<br />
mR<br />
=<br />
2<br />
2<br />
mR<br />
−<br />
π<br />
4) Détermination des axes principaux d’inertie<br />
a) Axes principaux<br />
⎧ l<br />
→<br />
→<br />
⎪<br />
Soit e 1<br />
un vecteur unitaire porté par cet axe principale tel que e 1<br />
= ⎨m<br />
où (l, m, n) sont les<br />
⎪<br />
⎩n<br />
2 2 2<br />
cosinus directeur alors nous avons : l + m + n = 1 et nous avons aussi :<br />
⎡A<br />
− I<br />
⎢<br />
⎢<br />
− C<br />
⎢⎣<br />
0<br />
1<br />
− C<br />
A − I<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0<br />
B − I<br />
1<br />
⎤⎡<br />
l ⎤ ⎡0⎤<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
=<br />
⎢ ⎥<br />
⎥⎢<br />
m<br />
⎥ ⎢<br />
0<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
n ⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
0⎥⎦<br />
L’équation (3) nous donne : n = 0<br />
⇔<br />
2<br />
2<br />
⎧ ( A − I1).<br />
l − C.<br />
m = 0<br />
⎪<br />
⎨ − C.<br />
l + ( A − I1).<br />
m = 0<br />
⎪<br />
⎩(<br />
B − I1).<br />
n = 0<br />
En résolvant ce système d’équation nous obtenons les valeurs des cosinus directeurs.<br />
Multiplions l’équation (1) par n et l’équation (2) par m et faisant la différence :<br />
2<br />
( A − I ). l − C.<br />
ml 0<br />
1<br />
=<br />
2<br />
− C.<br />
lm + ( A − I ). m 0<br />
1<br />
=<br />
(1)<br />
(2)<br />
(3)<br />
2<br />
2<br />
2 2<br />
( A − I ). l − ( A − I ) m 0 ( A − I )( l − m ) 0<br />
1 1<br />
=<br />
1<br />
=<br />
⇔<br />
2 2<br />
l = m ⇒ l = ± m<br />
156
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
nous avons ainsi : l<br />
2<br />
2 2<br />
2 2<br />
+ m + n = 1 ⇔ l + l + 0 = 1 ⇒<br />
2 l<br />
2<br />
= 1 ⇒ l = ±<br />
2<br />
2<br />
dons<br />
2<br />
m = ± . Nous avons donc l’axe principal passant par O et de vecteur unitaire :<br />
2<br />
→<br />
2 2<br />
→<br />
2 2<br />
e<br />
1(<br />
, − ,0) ; e<br />
2<br />
, ,0)<br />
2 2<br />
( et (0,0,1)<br />
2 2<br />
I<br />
2 3<br />
De la même manière si on utilise les moments et I on retrouve les mêmes axes qui<br />
→<br />
2 2<br />
→<br />
2 2<br />
sont : e 1( , ,0) ; e<br />
1(<br />
− , ,0)<br />
; (0,0,1)<br />
2 2<br />
2 2<br />
Pour les solides restant leurs tenseurs d’inertie ont déjà été calculés précédemment. On<br />
procède de la même manière et on retrouve facilement les moments principaux ainsi que les<br />
axes principaux d’inertie.<br />
Exercice 13 :<br />
Déterminer les tenseurs d’inertie en O relativement au repère orthonormé<br />
R( O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
des<br />
solides linéaires et homogènes (S) suivants :<br />
y<br />
y<br />
L<br />
y<br />
L<br />
z<br />
L<br />
L<br />
L<br />
x<br />
z<br />
L<br />
L<br />
L<br />
x<br />
z<br />
L<br />
L<br />
L<br />
L<br />
x<br />
Figure :01 Figure :02<br />
Figure :03<br />
Solution :<br />
Figure :01<br />
Le solide de la figure :01 est composé de trois barres S 1 , S 2 , S 3 . Le moment d’inertie du<br />
solide au point O est égal à la somme des moments d’inertie de chacune des barres au même<br />
point O.<br />
157
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
I )<br />
( S)<br />
O<br />
= I(<br />
S1 )<br />
O<br />
+ I(<br />
S<br />
2<br />
)<br />
O<br />
+ I(<br />
S3<br />
2<br />
⎡mL<br />
⎤<br />
⎢ 0 0 ⎥<br />
⎢<br />
3<br />
I(<br />
S =<br />
⎥<br />
1)<br />
O ⎢<br />
0 0 0<br />
⎥<br />
;<br />
2<br />
⎢ mL<br />
0 ⎥<br />
⎢⎣<br />
3 ⎥⎦<br />
O<br />
I(<br />
S )<br />
O<br />
2<br />
⎡<br />
⎢0<br />
⎢<br />
= ⎢0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢0<br />
⎣<br />
0<br />
mL<br />
3<br />
2<br />
0<br />
0<br />
mL<br />
3<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
z<br />
y<br />
O<br />
L<br />
S 1<br />
L<br />
S 2<br />
y<br />
S 3<br />
L<br />
G 3<br />
x<br />
x<br />
Figure :01<br />
Pour la barre S 3 , nous utiliserons le théorème de Huygens. On détermine le moment<br />
d’inertie au centre d’inertie G 3 de la barre puis on le ramène au point O par le théorème de<br />
⎧ x<br />
−−→⎪<br />
Huygens. nous avons OG ⎨y<br />
⎪<br />
⎩ z<br />
G<br />
G<br />
G<br />
= L<br />
= L / 2<br />
= 0<br />
Le moment d’inertie de la barre S 3 en G 3 est données par :<br />
( S<br />
)<br />
I<br />
3 G 3<br />
⎡mL<br />
⎢<br />
⎢<br />
12<br />
=<br />
⎢<br />
0<br />
⎢ 0<br />
⎢⎣<br />
2<br />
0<br />
0<br />
0<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
0<br />
⎥<br />
2 ⎥<br />
mL ⎥<br />
12 ⎥⎦<br />
Nous avons par le théorème de Huygens :<br />
I<br />
mL<br />
) =<br />
12<br />
mL<br />
+<br />
4<br />
2 2<br />
2 2<br />
xx<br />
( S3)<br />
O<br />
= I<br />
xx<br />
( S3)<br />
G3<br />
+ m(<br />
yG<br />
+ zG<br />
=<br />
mL<br />
3<br />
2<br />
I<br />
2 2<br />
2 2<br />
yy<br />
( S3)<br />
O<br />
= I<br />
yy<br />
( S3)<br />
G3<br />
+ m(<br />
xG<br />
+ zG<br />
) = 0 + mL = mL<br />
I<br />
mL ⎛ L ⎞ 4<br />
( mL<br />
12 ⎜ 4 ⎟<br />
⎝ ⎠ 3<br />
2<br />
2<br />
2 2<br />
2<br />
zz<br />
S3)<br />
O<br />
= I<br />
zz<br />
( S3<br />
)<br />
G3<br />
+ m(<br />
xG<br />
+ yG<br />
) = + m⎜<br />
L + ⎟ =<br />
2<br />
I<br />
I<br />
( S<br />
)<br />
I<br />
( S<br />
)<br />
mx<br />
L<br />
= 0 + mL.<br />
2<br />
xy 3 O<br />
=<br />
xy 3 G3<br />
+<br />
G G<br />
=<br />
xz<br />
( S )<br />
O<br />
I<br />
xz<br />
( S3)<br />
G3<br />
+ mx<br />
3<br />
=<br />
G<br />
zG<br />
=<br />
y<br />
0<br />
mL<br />
2<br />
2<br />
I<br />
yz<br />
( S ) I ( S3<br />
)<br />
3<br />
+ my<br />
3 O<br />
=<br />
yz G G G<br />
=<br />
z<br />
0<br />
158
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A.KADI<br />
d’où le tenseur d’inertie de la barre S 3 au point O :<br />
I(<br />
S3<br />
)<br />
O<br />
⎡ mL<br />
⎢<br />
⎢<br />
3<br />
2<br />
= ⎢−<br />
mL<br />
⎢ 0<br />
⎢<br />
⎣<br />
2<br />
/ 2<br />
− mL<br />
0<br />
2<br />
mL<br />
2<br />
/ 2<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
4 2<br />
mL ⎥<br />
3 ⎥<br />
⎦<br />
Le tenseur d’inertie du solide au point O est égal à :<br />
( S)<br />
I<br />
O<br />
⎡mL<br />
⎢<br />
⎢<br />
3<br />
=<br />
⎢<br />
0<br />
⎢ 0<br />
⎢⎣<br />
2<br />
0<br />
0<br />
0<br />
⎡<br />
⎤<br />
0 ⎢<br />
⎥ 0<br />
⎢<br />
0<br />
⎥<br />
+ ⎢<br />
⎥<br />
0<br />
2<br />
mL ⎢<br />
⎥<br />
⎢<br />
3 ⎥⎦<br />
⎢0<br />
⎣<br />
0<br />
mL<br />
3<br />
0<br />
2<br />
⎤<br />
2<br />
⎡ mL<br />
0 ⎥<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎢<br />
3<br />
2<br />
0 ⎥ + ⎢−<br />
mL / 2<br />
⎥<br />
2 ⎢<br />
mL ⎥ 0<br />
⎢<br />
3<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎣<br />
− mL<br />
0<br />
2<br />
mL<br />
2<br />
/ 2<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
4 2<br />
mL ⎥<br />
3 ⎥<br />
⎦<br />
( S)<br />
I<br />
O<br />
2<br />
⎡ 2mL<br />
⎢<br />
⎢<br />
3<br />
⎢ 2<br />
= − mL / 2<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎢<br />
⎣<br />
− mL<br />
2<br />
4mL<br />
3<br />
0<br />
/ 2<br />
2<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
2<br />
2mL<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
Pour le solide de la figure (2) utiliser la même technique de résolution. Le tenseur d’inertie du<br />
solide de la figure (3) se déduit à partir de celui de la figure (2).<br />
Exercice 14 :<br />
Les deux panneaux solaires d’un satellite sont de forme rectangulaire, montés tel que<br />
représenté sur la figure ci-dessous. Afin de maîtriser les différentes rotations du satellite, il est<br />
demandé de déterminer :<br />
a) Le tenseur d’inertie du système en O relativement à R( O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
;<br />
a<br />
b) Le moment d’inertie par rapport à un axe passant par le point O et le point A ( c,<br />
,0)<br />
2<br />
y<br />
y<br />
c<br />
a<br />
c<br />
o<br />
c<br />
x<br />
a<br />
G 2<br />
o<br />
α<br />
A<br />
G 1<br />
x<br />
z<br />
b<br />
z<br />
b<br />
c<br />
159
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
a) Tenseur d’inertie du système au point O dans R( O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
Le système est formé de deux panneaux rectangulaires identiques S 1 et S2 de masse :<br />
m = σ.ab<br />
et de centres de gravité respectifs : G 1 et G 2 .<br />
On calcul les tenseurs d’inertie en ces centres d’inertie puis, par le théorème de Huygens, on<br />
déduit les tenseurs d’inertie au point O dans le repère R( O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
.<br />
Les plans (xOz) et (yOz) sont des plans de symétrie alors tous les produits d’inertie sont<br />
nuls : I = I = I = Nous avons un solide plan : z = 0 alors I Oxz<br />
I = 0 et<br />
Oxz Oyz Oxz<br />
0<br />
aussi : I + I = I .<br />
Oxx<br />
Oyy<br />
Ozz<br />
= Oyz<br />
Nous avons aussi :<br />
I )<br />
( S1 )<br />
O<br />
= I(<br />
S<br />
2 O<br />
donc I ( S)<br />
O<br />
= 2I(<br />
S1)<br />
O<br />
Calculons le tenseur d’inertie du panneau (S 1 ) en G 1 :<br />
I<br />
I<br />
b / 2 a / 2<br />
3<br />
a / 2<br />
2 2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
⎡ y ⎤<br />
G 1xx<br />
= ∫ ( y + z ) dm = ∫ y dm = ∫ y σ . dxdy = σ ∫ dx ∫ y dy = σb.<br />
⎢ ⎥ =<br />
3<br />
S<br />
S<br />
S<br />
−b<br />
/ 2 −a<br />
/ 2 ⎣ ⎦ −a<br />
/ 2<br />
1<br />
1<br />
1<br />
b / 2 a / 2<br />
3<br />
b / 2<br />
2 2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
⎡ x ⎤<br />
G 1yy<br />
= ∫ ( x + z ) dm = ∫ x dm = ∫ x σ . dxdy = σ ∫ x dx ∫ dy = σa.<br />
⎢ ⎥ =<br />
3<br />
S<br />
S<br />
S<br />
−b<br />
/ 2 −a<br />
/ 2 ⎣ ⎦ −b<br />
/ 2<br />
1<br />
1<br />
1<br />
ma<br />
12<br />
mb<br />
12<br />
2<br />
2<br />
I<br />
G1zz<br />
= ∫ ( x<br />
S1<br />
2<br />
+ y<br />
2<br />
) dm = I<br />
G1xx<br />
+ I<br />
G1yy<br />
=<br />
2 2<br />
m(<br />
a + b )<br />
12<br />
Les plans ( xG z) et (yG z<br />
1 1<br />
sont des plans de symétrie, alors tous les produit d’inertie sont<br />
nuls : I I = I 0 ; on obtient ainsi :<br />
G1 xy<br />
=<br />
G1xz<br />
G1yz<br />
=<br />
2<br />
⎡ma<br />
⎤<br />
⎢ 0 0 ⎥<br />
⎢<br />
12<br />
2<br />
⎥<br />
⎢ mb<br />
I(<br />
S =<br />
⎥<br />
1)<br />
G 1<br />
0<br />
0 et<br />
⎢ 12<br />
⎥<br />
⎢<br />
2 2<br />
m(<br />
a + b ) ⎥<br />
⎢ 0 0<br />
⎥<br />
⎣<br />
12 ⎦<br />
I(<br />
S<br />
2<br />
)<br />
G<br />
2<br />
2<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
12<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
0<br />
mb<br />
12<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
2<br />
m(<br />
a + b<br />
12<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
) ⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
b<br />
b<br />
Les coordonnées du point G 1 sont ( c + , 0, 0)<br />
et celles de G 2 ( − c − , 0, 0)<br />
.<br />
2<br />
2<br />
160
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
En appliquant le théorème de Huygens comme précédemment nous obtenons les tenseurs<br />
d’inertie de S 1 et S 2 au point O.<br />
I(<br />
S<br />
1<br />
)<br />
O<br />
= I(<br />
S )<br />
2<br />
O<br />
2<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
12<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
mb<br />
12<br />
2<br />
0<br />
b<br />
+ m(<br />
c + )<br />
2<br />
0<br />
2<br />
2<br />
m(<br />
a + b<br />
12<br />
) b<br />
+ m(<br />
c + )<br />
2<br />
2<br />
0<br />
0<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
2<br />
Le moment d’inertie du solide est donné par :<br />
I )<br />
( S)<br />
O<br />
= I(<br />
S1 )<br />
O<br />
+ I(<br />
S<br />
2<br />
)<br />
O<br />
= 2I(<br />
S1<br />
O<br />
I(<br />
S)<br />
O<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
6<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
mb<br />
6<br />
2<br />
0<br />
b<br />
+ 2m(<br />
c + )<br />
2<br />
0<br />
2<br />
2<br />
m(<br />
a + b<br />
6<br />
0<br />
0<br />
) b<br />
+ 2m(<br />
c + )<br />
2<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥ ⎡A<br />
⎥ =<br />
⎢<br />
⎥ ⎢<br />
0<br />
⎥ ⎢⎣<br />
0<br />
⎥<br />
⎦<br />
2<br />
0<br />
B<br />
0 ⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
D⎥⎦<br />
b) Moment d’inertie par rapport à l’axe (Δ)<br />
passant par les points O (0, 0, 0) et A(c, c/2, 0)<br />
Soit<br />
→<br />
u le vecteur unitaire porté par )<br />
(Δ , il s’écrit :<br />
−−→ →<br />
→<br />
→<br />
OA c i + ( a / 2) j c<br />
→<br />
( a / 2)<br />
→<br />
→ →<br />
u = =<br />
=<br />
i +<br />
j = cosα i + sinα<br />
j<br />
OA 2<br />
2 2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
c + ( a / 2) c + ( a / 2) c + ( a / 2)<br />
Le moment d’inertie par rapport à la droite (Δ)<br />
est défini par :<br />
I<br />
Δ<br />
→<br />
T<br />
= u<br />
⎡A<br />
0 0 ⎤⎛cosα<br />
⎞<br />
⎛cosα<br />
⎞<br />
→<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
. I ( )<br />
⎢ ⎥<br />
O<br />
( S).<br />
u = cosα,<br />
sinα,<br />
0<br />
⎢<br />
0 B 0<br />
⎥⎜<br />
sinα<br />
⎟ = ( Acosα,<br />
Bsinα,0)<br />
⎜ sinα<br />
⎟<br />
⎢ ⎥⎜<br />
⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎣0<br />
0 D⎦⎝<br />
0 ⎠<br />
⎝ 0 ⎠<br />
I<br />
Δ<br />
=<br />
2<br />
2<br />
Acos<br />
α + Bsin<br />
α =<br />
ma<br />
6<br />
2<br />
cos<br />
2<br />
⎡ma<br />
α + ⎢<br />
⎣ 6<br />
2<br />
+ 2m(<br />
c +<br />
b<br />
)<br />
2<br />
2<br />
⎤<br />
⎥ sin<br />
⎦<br />
2<br />
α<br />
161
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 15 :<br />
Une pièce mécanique homogène est constituée d’un cylindre creux (S 1 ) de masse m 1 , d’axe<br />
Oy, et soudé à sa base à un parallélépipède (S 2 ) de masse m 2 tel que représenté sur la figure<br />
ci-dessous. Déterminer :<br />
1. Le tenseur d’inertie de la surface cylindrique au point O ;<br />
2. Le tenseur d’inertie du système I O<br />
(S) au point O ;<br />
3. Le moment d’inertie du système par rapport à la droite ( Δ)<br />
faisant un angle de 30° dans le<br />
sens positif avec l’axe Ox et passant par O ;<br />
4. Le produit d’inertie du système par rapport aux droites (Δ)<br />
et (Δ')<br />
appartenant au plan<br />
(xOz) tel que<br />
Δ' ⊥ Δ .<br />
y<br />
R<br />
z<br />
dl = Rdθ<br />
b<br />
h<br />
z<br />
o<br />
Δ '<br />
30°<br />
Δ<br />
c<br />
x<br />
O<br />
R<br />
x<br />
a<br />
Solution :<br />
1. Tenseur d’inertie de la surface cylindrique (S 1 ) au point O<br />
Nous avons un solide ayant un axe de révolution (Oy) alors : I<br />
xx<br />
( S1)<br />
= I<br />
zz<br />
( S1)<br />
, nous pouvons<br />
aussi voir que les axes (Ox) et (Oz) jouent le même rôle.<br />
Les plans (xOy) et (zOy) sont des plans de symétrie d’où : I S ) = I ( S ) = I ( S ) 0<br />
xy<br />
(<br />
1 xz 1 yz 1<br />
=<br />
On choisi un petit élément de surface :<br />
dm = σ.<br />
Rd . dy avec 0 ≤ ϕ ≤ 2π<br />
et 0 ≤ y ≤ h<br />
1<br />
ϕ<br />
ayant pour coordonnées : ( R cosθ<br />
, y,<br />
R sinθ<br />
) tel que :<br />
2 2<br />
x + z =<br />
R<br />
2<br />
Masse du cylindre :<br />
m = 1 ∫ dm1<br />
= ∫σ.<br />
Rdθ.<br />
dy = σR<br />
∫ dθ.<br />
∫ dy = σ.2πR.<br />
h<br />
S<br />
S<br />
2π<br />
0<br />
h<br />
0<br />
Nous avons alors :<br />
I<br />
2π<br />
h<br />
2 2<br />
2<br />
3<br />
3<br />
2<br />
2<br />
( S1 ) = yy ∫ ( x + z ) dm1<br />
= ∫ R σRdθdy<br />
= σR<br />
∫ dθ<br />
∫ dy = σR<br />
.2π<br />
. h = σ.2πRh.<br />
R = m1R<br />
S<br />
S<br />
0 0<br />
161
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2 2<br />
2 2<br />
Or : I<br />
xx<br />
( S1)<br />
= I<br />
zz<br />
( S1)<br />
alors : I<br />
xx<br />
( S1 ) + I<br />
zz<br />
( S1)<br />
= 2I<br />
xx<br />
( S1)<br />
= ∫ ( y + z ) dm1<br />
+ ∫ ( x + y ) dm1<br />
2 2<br />
2<br />
2 I<br />
xx<br />
( S1)<br />
= ∫ ( x + z ) dm1<br />
+ ∫ 2y<br />
dm1<br />
⇔ 2<br />
xx<br />
( S ) = I<br />
yy<br />
( S1)<br />
+ ∫<br />
I<br />
xx<br />
S<br />
S<br />
S<br />
S<br />
S<br />
2<br />
I<br />
1<br />
2y<br />
dm1<br />
2π<br />
h<br />
I<br />
yy<br />
( S1)<br />
I<br />
yy<br />
( S1)<br />
I<br />
yy<br />
( S1)<br />
2<br />
2<br />
2<br />
( S1 ) = + ∫ y dm1<br />
= + ∫ y σ . Rdθ.<br />
dy = + σR<br />
∫.<br />
dθ∫<br />
y dy<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
m1R<br />
m1h<br />
I xx<br />
( S1)<br />
= +<br />
2 3<br />
2<br />
S<br />
0<br />
0<br />
S<br />
I O<br />
( S<br />
1<br />
⎡m1R<br />
⎢<br />
⎢<br />
2<br />
) = ⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
2<br />
m1h<br />
+<br />
3<br />
0<br />
0<br />
2<br />
1<br />
0<br />
m R<br />
0<br />
2<br />
m1R<br />
2<br />
2<br />
0<br />
0<br />
m1h<br />
+<br />
3<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
2. Tenseur d’inertie du système I O<br />
(S) au point O ;<br />
I<br />
( S)<br />
= I<br />
O<br />
( S1)<br />
I<br />
O<br />
( S<br />
2<br />
)<br />
O<br />
+<br />
Calculons le moment d’inertie du parallélépipède : S )<br />
I O<br />
( 2<br />
Les plans (xOy) et (yOz) sont aussi des plans de symétrie alors tous les produits d’inertie<br />
sont nuls : I S ) = I ( S ) = I ( S ) 0<br />
xy<br />
(<br />
2 xz 2 yz 2<br />
=<br />
On choisi un élément de masse tel que :<br />
dm2 = ρdxdydz avec<br />
a<br />
−<br />
2<br />
≤ x ≤<br />
a<br />
;<br />
2<br />
− b ≤<br />
y ≤ 0;<br />
c<br />
− ≤ z ≤<br />
2<br />
c<br />
2<br />
La masse su solide ( S 2<br />
) est :<br />
m<br />
2<br />
a / 2<br />
c / 2<br />
= ∫ ρ dm = ρ ∫ dx∫<br />
dy ∫ dz = ρ abc<br />
S2<br />
−a<br />
/ 2<br />
0<br />
−b<br />
−c<br />
/ 2<br />
Comme les coordonnées sont indépendantes, nous allons calculer séparément les intégrales :<br />
∫<br />
x<br />
a / 2 0 c / 2<br />
3<br />
2<br />
2<br />
a m<br />
2 2<br />
dm2<br />
= ρ ∫ x dx∫<br />
dy ∫ dz = ρ bc =<br />
a<br />
12 12<br />
−a<br />
/ 2 −b<br />
−c<br />
/ 2<br />
162
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
∫<br />
∫<br />
y<br />
z<br />
a / 2 0 c / 2<br />
3<br />
2<br />
2<br />
b m<br />
2 2<br />
dm2<br />
= ρ ∫ dx∫<br />
y dy ∫ dz = ρa<br />
c =<br />
b<br />
3 3<br />
−a<br />
/ 2 −b<br />
−c<br />
/ 2<br />
a / 2 0 c / 2<br />
3<br />
2<br />
2 2 c m2c<br />
dm2<br />
= ρ ∫ dx∫<br />
dy ∫ z dz = ρab<br />
=<br />
12 12<br />
−a<br />
/ 2 −b<br />
−c<br />
/ 2<br />
Nous avons ainsi :<br />
I<br />
I<br />
I<br />
xx<br />
yy<br />
zz<br />
( S<br />
2<br />
( S<br />
( S<br />
= ∫ 2 2<br />
2 2<br />
2 2 m ⎛ ⎞<br />
2b<br />
m2c<br />
b c<br />
) ( y + z ) dm = + =<br />
⎜ +<br />
⎟<br />
2<br />
m2<br />
3 12 ⎝ 3 12<br />
S<br />
⎠<br />
2<br />
2<br />
2<br />
= ∫ 2 2<br />
2<br />
2 2 m2a<br />
m2c<br />
⎛ a + c<br />
) ( x + z ) dm = + =<br />
⎜<br />
2<br />
m2<br />
12 12 ⎝ 12<br />
S<br />
2<br />
= ∫ 2<br />
2<br />
2 2<br />
2 2 m2a<br />
m2b<br />
⎛ b a ⎞<br />
) ( x + y ) dm = + =<br />
⎜ +<br />
⎟<br />
2<br />
m2<br />
12 3 ⎝ 3 12<br />
S<br />
⎠<br />
2<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
I O<br />
2 2<br />
⎡ ⎛ b c ⎞<br />
⎢m<br />
⎜<br />
⎟<br />
2<br />
+<br />
⎢ ⎝ 3 12 ⎠<br />
⎢<br />
( S1)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
0<br />
2<br />
⎛ a + c<br />
m<br />
⎜<br />
2<br />
⎝ 12<br />
0<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
2 2<br />
⎛ b a ⎞⎥<br />
m<br />
⎜ +<br />
⎟<br />
2 ⎥<br />
⎝ 3 12 ⎠<br />
⎦<br />
Le tenseur d’inertie du système est donné par : I S ) = I ( S ) = I ( S ) 0<br />
xy<br />
(<br />
1 xz 1 yz 1<br />
=<br />
I O<br />
⎡<br />
⎢ m<br />
⎢<br />
⎢<br />
( S)<br />
= ⎢0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
1<br />
⎛ R<br />
⎜<br />
⎝ 2<br />
2<br />
2<br />
h<br />
+<br />
3<br />
⎞<br />
⎟ + m<br />
⎠<br />
m R<br />
1<br />
2<br />
2<br />
2 2<br />
⎛ b c ⎞<br />
⎜ +<br />
⎟<br />
⎝ 3 12 ⎠<br />
2<br />
⎛ a + c<br />
+ m<br />
⎜<br />
2<br />
⎝ 12<br />
0<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎛ R<br />
m<br />
⎜<br />
1<br />
⎝ 2<br />
0<br />
0<br />
0<br />
2<br />
2<br />
h<br />
+<br />
3<br />
⎞<br />
⎟ + m<br />
⎠<br />
2<br />
2<br />
⎛ b<br />
⎜<br />
⎝ 3<br />
2<br />
a ⎞<br />
+<br />
⎟<br />
12 ⎠<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎡A<br />
0 0⎤<br />
On pose : I<br />
⎢ ⎥<br />
O<br />
( S)<br />
=<br />
⎢<br />
0 B 0<br />
⎥<br />
.<br />
⎢⎣<br />
0 0 C⎥⎦<br />
163
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3. Moment d’inertie du système par rapport à la droite (Δ)<br />
Soit<br />
→ →<br />
→ → →<br />
n le vecteur unitaire porté par l’axe (Δ)<br />
, il s’écrira : n = cosα<br />
i + 0. j−<br />
sinα<br />
k<br />
⎧ cosα<br />
→⎪<br />
n ⎨ 0 Le moment d’inertie par rapport à (Δ)<br />
est donné par : I<br />
⎪<br />
⎩−<br />
sinα<br />
Nous avons ainsi :<br />
I<br />
Δ<br />
⎡A<br />
0<br />
= (cosα,0,<br />
−sinα)<br />
⎢<br />
⎢<br />
0 B<br />
⎢⎣<br />
0 0<br />
2<br />
I = Acos α + C sin<br />
Δ<br />
2<br />
α ;<br />
→<br />
T<br />
Δ<br />
= n<br />
→<br />
. I 0<br />
( S).<br />
n<br />
0⎤⎛<br />
cosα<br />
⎞<br />
⎛ cosα<br />
⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
0<br />
⎥<br />
⎥⎜<br />
0 ⎟ = ( Acosα,0,<br />
−C<br />
sinα)<br />
⎜ 0 ⎟<br />
C⎥⎜<br />
⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎦⎝−<br />
sinα<br />
⎠<br />
⎝−<br />
sinα<br />
⎠<br />
3A<br />
C<br />
I<br />
Δ<br />
= + et en remplaçant A et C nous obtenons :<br />
4 4<br />
I<br />
Δ<br />
=<br />
2<br />
3 ⎡ ⎛ R<br />
⎢m1<br />
⎜<br />
4 ⎣ ⎝ 2<br />
2<br />
h<br />
+<br />
3<br />
⎞<br />
⎟ + m<br />
⎠<br />
2<br />
2<br />
⎛ b<br />
⎜<br />
⎝ 3<br />
2<br />
c ⎞⎤<br />
+<br />
⎟⎥<br />
+<br />
12 ⎠⎦<br />
1<br />
4<br />
⎡ ⎛ R<br />
⎢m1<br />
⎜<br />
⎣ ⎝ 2<br />
2<br />
2<br />
h<br />
+<br />
3<br />
⎞<br />
⎟ + m<br />
⎠<br />
2<br />
2<br />
⎛ b<br />
⎜<br />
⎝ 3<br />
2<br />
a ⎞⎤<br />
+<br />
⎟⎥<br />
12 ⎠⎦<br />
4. Produit d’inertie par rapport aux droites (Δ)<br />
et (Δ')<br />
→<br />
n est le vecteur unitaire porté par l’axe (Δ)<br />
: n(<br />
cosα,<br />
0,<br />
− sin α)<br />
→<br />
t est le vecteur unitaire porté par l’axe (Δ')<br />
: t ( sin α, 0,<br />
cosα)<br />
Le produit d’inertie par rapport aux droites (Δ)<br />
et (Δ')<br />
est donné par la relation:<br />
→<br />
→<br />
I<br />
ΔΔ'<br />
→<br />
T<br />
→<br />
= −t<br />
. I ( S).<br />
n<br />
O<br />
I<br />
ΔΔ'<br />
⎡A<br />
= −(sinα,0,cosα)<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
B<br />
0<br />
0 ⎤⎛<br />
cosα<br />
⎞<br />
⎛ cosα<br />
⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
0<br />
⎥<br />
⎥⎜<br />
0 ⎟ = −(<br />
Asinα,0,<br />
−C<br />
cosα)<br />
⎜ 0 ⎟<br />
C⎥⎜<br />
⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎦⎝−<br />
sinα<br />
⎠<br />
⎝−<br />
sinα<br />
⎠<br />
I<br />
ΔΔ<br />
= −Asinα<br />
cosα<br />
+ C cosα<br />
sinα<br />
=<br />
3<br />
( C − A)<br />
4<br />
I<br />
ΔΔ'<br />
=<br />
2<br />
3 ⎡ ⎛ R<br />
⎢m<br />
⎜<br />
1<br />
4 ⎣ ⎝ 2<br />
2<br />
h<br />
+<br />
3<br />
⎞<br />
⎟ + m<br />
⎠<br />
2<br />
2<br />
⎛ b<br />
⎜<br />
⎝ 3<br />
2<br />
a ⎞ ⎛ R<br />
+<br />
⎟ − m<br />
⎜<br />
1<br />
12 ⎠ ⎝ 2<br />
2<br />
2<br />
h<br />
+<br />
3<br />
⎞<br />
⎟ − m<br />
⎠<br />
2<br />
2<br />
⎛ b<br />
⎜<br />
⎝ 3<br />
2<br />
c ⎞⎤<br />
+<br />
⎟⎥<br />
12 ⎠⎦<br />
I<br />
ΔΔ '<br />
= m<br />
2<br />
3 a<br />
.<br />
4<br />
− c<br />
12<br />
2<br />
2<br />
164
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 16 :<br />
Déterminer le tenseur d’inertie en O, sommet d’un cône plein et homogène d’axe de<br />
révolution Oz, de hauteur h et dont le cercle de base a un rayon R, comme indiqué sur la<br />
figure ci-dessous.<br />
→<br />
z<br />
R<br />
A<br />
R<br />
B<br />
dv = 2πrdr<br />
dz<br />
dz<br />
h<br />
C<br />
r<br />
z<br />
D<br />
→<br />
y<br />
o<br />
Solution :<br />
Cône : Deux plans de symétrie (xoz) et (yoz) ⇒ I I = I = 0<br />
→<br />
x<br />
xy<br />
=<br />
xz yz<br />
Les axes ox et oy jouent le même rôle :<br />
I = I<br />
xx<br />
yy<br />
2 2 2<br />
Nous avons : x + y = r et l’élément de masse est égal à : dm = ρdv<br />
= ρ2πrdrdz<br />
Dans les triangles OAB et OCD , nous avons<br />
R<br />
0 < r < z et 0 < z < h<br />
h<br />
CD OC r z R<br />
= ⇔ = ⇒ r = z<br />
AB OA R h h<br />
I<br />
zz<br />
R<br />
z<br />
h<br />
h<br />
2<br />
2 2 R<br />
h<br />
4<br />
= 2<br />
2<br />
3<br />
R 4<br />
∫ ( x + y ) dm = ∫ r . ρ 2πrdr.<br />
dz = ρ2π<br />
∫(<br />
∫r<br />
dr)<br />
dz = ρ2π<br />
z dz = ρπR<br />
4<br />
4h<br />
∫<br />
S<br />
S<br />
0 0<br />
0<br />
h.<br />
10<br />
or nous avons la masse d’un cône est donnée par :<br />
1<br />
m = ρπ<br />
2<br />
R h alors R<br />
2<br />
ρπ h = 3m<br />
3<br />
d’où :<br />
3 I zz<br />
= mR<br />
10<br />
2<br />
Comme I<br />
xx<br />
= I yy<br />
, nous pouvons aussi écrire :<br />
2I<br />
xx<br />
= I<br />
xx<br />
+ I<br />
yy<br />
2 2<br />
2 2<br />
2 2<br />
= ∫(<br />
y + z ) dm + ∫ ( x + z ) dm = ∫(<br />
x + y ) dm + 2<br />
S1 S1<br />
∫<br />
S1 S1<br />
z<br />
2<br />
dm<br />
2<br />
I<br />
zz 2 3 2 2<br />
2I xx<br />
= I<br />
zz<br />
+ 2∫<br />
z dm ⇒ I<br />
xx<br />
= + z dm mR z ρ2πrdr.<br />
dz<br />
2<br />
∫ = +<br />
20<br />
∫<br />
S1<br />
S1<br />
S1<br />
165
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
I<br />
xx<br />
R<br />
z<br />
h<br />
h<br />
2 5<br />
2 h<br />
h<br />
2<br />
3<br />
3 2 R 4 3 2 R<br />
= mR + ρ 2π<br />
( rdr)<br />
dz mR ρπ z dz mR ρπ<br />
2<br />
20<br />
∫ ∫ = +<br />
= +<br />
20 h<br />
∫<br />
20 h<br />
0 0<br />
0<br />
2<br />
5<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2 h 3 2 3 2 3 mR<br />
I xx<br />
= mR + ρπ R h.<br />
= mR + mh = ( + mh<br />
20<br />
5 20 5 5 4<br />
3 2<br />
)<br />
⎡ 3 2 3<br />
⎢<br />
mR + mh<br />
20 5<br />
⎢<br />
I<br />
0<br />
( S)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎣<br />
2<br />
3<br />
20<br />
mR<br />
2<br />
0<br />
3<br />
+ mh<br />
5<br />
0<br />
2<br />
3<br />
10<br />
⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
2<br />
mR<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
Exercice 17 :<br />
Soit une plaque carrée homogène de côté a , de masse m dans un repère orthonormé<br />
R( O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
. Le centre de masse de la plaque est en O, avec l’axe Ox perpendiculaire à la<br />
plaque.<br />
1. Déterminer la matrice d’inertie de la plaque au point O ;<br />
2. A l’aide de plaques identiques, on construit une boîte cubique vide de masse M. On<br />
désigne le centre de masse de cette boîte par le point O 2 , qui est aussi le centre du repère<br />
R( O2,<br />
x2,<br />
y2,<br />
z2<br />
)<br />
a) Donner les coordonnées des centres de masses de chaque face de la boîte par rapport au<br />
repère R O , x , y , ) ;<br />
(<br />
2 2 2<br />
z2<br />
b) Déterminer la matrice d’inertie de la boîte dans le repère R O , x , y , ) ;<br />
c) Le repère R O , x , y , ) est-il un repère principal d’inertie ?<br />
(<br />
2 2 2<br />
z2<br />
(<br />
2 2 2<br />
z2<br />
d) Calculer le moment d’inertie de la boîte par rapport un axe passant par O 2 et F.<br />
z<br />
a<br />
o<br />
dm = σ.dydz<br />
y<br />
A<br />
E<br />
z 2<br />
y 2<br />
O 2<br />
B<br />
F<br />
x<br />
a<br />
x 2<br />
D<br />
H<br />
C<br />
G<br />
166
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
La plaque est un solide plan de masse<br />
celle-ci alors : I = I + I<br />
xx<br />
yy<br />
zz<br />
m = σ a<br />
2<br />
dont l’axe Ox est l’axe perpendiculaire à<br />
Les axes Oy et Oz jouent le même rôle d’où :<br />
I = I<br />
yy<br />
zz<br />
Les plans (xOz) et (yOz) sont des plans de symétrie : I I = I = 0<br />
xy<br />
=<br />
xz yz<br />
On choisi un élément de masse<br />
dm = σdydz<br />
de coordonnées (0 , y , z) tel que :<br />
a a<br />
− ≤ y ≤ ;<br />
2 2<br />
a a<br />
− ≤ z ≤ On aura ainsi :<br />
2 2<br />
I<br />
I<br />
I<br />
a / 2 a / 2<br />
yy<br />
=<br />
S<br />
S<br />
S<br />
−a<br />
/ 2 −a<br />
/ 2<br />
4<br />
= 2 2<br />
2<br />
2<br />
2 . a ma<br />
( x + z ) dm = z dm = z . dydz = dy.<br />
∫<br />
σ<br />
∫ ∫ ∫ σ σ ∫ z dz =<br />
12 12<br />
a / 2 a / 2<br />
zz<br />
=<br />
S<br />
S<br />
S<br />
−a<br />
/ 2 −a<br />
/ 2<br />
4<br />
= 2 2<br />
2<br />
2<br />
22 . a ma<br />
( x + y ) dm = y dm = y . dydz = y dy.<br />
∫<br />
σ<br />
∫ ∫ ∫ σ σ ∫ dz =<br />
12 12<br />
= I<br />
+ I<br />
= 2I<br />
xx yy zz yy<br />
=<br />
2<br />
ma<br />
6<br />
Le tenseur d’inertie de la plaque en son centre O est :<br />
I O<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
6<br />
( S)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
ma<br />
12<br />
2.a. Coordonnées des centres d’inertie de chaque plaque formant la boite :<br />
La boite est composée de six plaques identiques symétriques deux à deux par rapport au<br />
repère O , x , y , ) , O est aussi le centre d’inertie de la boite.<br />
R( 2 2 2<br />
z2<br />
2<br />
Les centres d’inertie des plaques ont pour coordonnées :<br />
⎛ a ⎞<br />
⎞<br />
( ABCD ) : ⎜ , 0, 0⎟<br />
; ⎜<br />
⎛ a<br />
( EFGH ) : − , 0, 0 ⎟<br />
⎝ 2 ⎠<br />
⎝ 2 ⎠<br />
⎛ a ⎞<br />
⎛ a ⎞<br />
( AEFB ) : ⎜0,<br />
0, ⎟ ; ( DHGC ) : ⎜0,<br />
0, − ⎟<br />
⎝ 2 ⎠<br />
⎝ 2 ⎠<br />
⎛ a ⎞<br />
⎛ a ⎞<br />
( BFGH ) : ⎜0,<br />
, 0⎟<br />
; ( AEHD ) : ⎜0,<br />
− , 0⎟ ⎝ 2 ⎠<br />
⎝ 2 ⎠<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
ma<br />
12<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
167
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2.b. Matrice d’inertie de la boîte dans le repère R O , x , y , ) ;<br />
(<br />
2 2 2<br />
z2<br />
Comme la boîte est cubique, alors tous les plans sont des plans de symétrie et tous les axes<br />
jouent le même rôle. Nous aurons une matrice diagonale dont les éléments sont tous égaux.<br />
On va procéder en cherchant les matrices d’inertie des plaques deux à deux.<br />
Les plaques (ABCD) et (EFGH) ont les mêmes matrices d’inertie en leur centre d’inertie :<br />
I<br />
G<br />
( ABCD)<br />
= I<br />
G<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
6<br />
( EFGH)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
ma<br />
12<br />
déduit leurs tenseurs d’inertie au point O 2<br />
.<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
ma<br />
12<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
, en utilisant le théorème de Huygens on<br />
I<br />
I<br />
O2<br />
O 2<br />
( ABCD)<br />
= I<br />
( ABCD)<br />
= I<br />
O2<br />
O2<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢ 6<br />
⎢<br />
( EFGH)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎣<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
6<br />
( EFGH)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
2<br />
ma<br />
12<br />
0<br />
ma<br />
3<br />
on déduit facilement par rotation des axes :<br />
I<br />
O 2<br />
( BFGC)<br />
= I<br />
O2<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
3<br />
( AEHD)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
0<br />
ma<br />
6<br />
0<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
⎛ a ⎞<br />
+ m⎜<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠<br />
0<br />
0<br />
0<br />
ma<br />
3<br />
0<br />
0<br />
ma<br />
3<br />
2<br />
2<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
ma<br />
12<br />
2<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
2<br />
⎥<br />
⎛ a ⎞ ⎥<br />
+ m⎜<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠<br />
⎥<br />
⎦<br />
I<br />
O 2<br />
( AEFB)<br />
= I<br />
O2<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
3<br />
( DHGC)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
ma<br />
3<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
ma<br />
6<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
168
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
I<br />
2<br />
( boite)<br />
= 2I<br />
O2<br />
( ABCD)<br />
+ 2I<br />
O2<br />
( BFGC)<br />
2I<br />
O2<br />
( AEFB)<br />
O<br />
+<br />
I O 2<br />
( boite)<br />
=<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
6<br />
2⎢<br />
0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
ma<br />
3<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
ma<br />
3<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
+<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
3<br />
2⎢<br />
0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
ma<br />
6<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
ma<br />
3<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
+<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
3<br />
2⎢<br />
0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
ma<br />
3<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
ma<br />
6<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
I O 2<br />
⎡5ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
3<br />
( boite)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
5ma<br />
3<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
ma<br />
3<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
La masse de la boite est donnée par : M = 6m ⇒<br />
I O 2<br />
⎡5Ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
18<br />
( boite)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
5Ma<br />
18<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
Ma<br />
18<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
M<br />
m = la matrice s’écrirait :<br />
6<br />
2.c. Le repère R O , x , y , ) est-il un repère principal d’inertie ?<br />
(<br />
2 2 2<br />
z2<br />
comme tous les plans de ce repère sont des plans de symétrie et que tous les axes ont le même<br />
rôle alors le repère R O , x , y , ) est un repère principal d’inertie. La matrice étant<br />
(<br />
2 2 2<br />
z2<br />
diagonale nous pouvons facilement le vérifier avec tous les axes.<br />
En effet nous avons :<br />
I<br />
→<br />
O<br />
=<br />
2<br />
( boite).<br />
x2<br />
I<br />
xx<br />
( boite)<br />
de même pour les deux autres axes.<br />
2.d. Moment d’inertie de la boîte par rapport à un axe Δ passant par O 2 et F.<br />
⎛− a / 2⎞<br />
−−→ ⎜ ⎟<br />
→<br />
Nous avons : O2F⎜<br />
a / 2 ⎟ , soit u le vecteur unitaire porté par cet axe, il s’écrira :<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ a / 2 ⎠<br />
−−→<br />
→<br />
O2F<br />
1<br />
→ → →<br />
u = = ( − i + j+<br />
k)<br />
O F 3<br />
2<br />
169
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le moment d’inertie de la boîte par rapport à un axe passant par O 2 et F est donné par la<br />
relation :<br />
I<br />
→<br />
T<br />
Δ<br />
= u . I<br />
O2<br />
→<br />
( boite).<br />
u<br />
2<br />
⎡5Ma<br />
⎤⎡ 1 ⎤<br />
⎢ 0 0 ⎥⎢<br />
− ⎥<br />
⎢<br />
18<br />
3<br />
2 ⎥⎢<br />
⎥<br />
⎛ 1 1 1 ⎞ 5Ma<br />
1 5Ma<br />
I , , ⎢ 0<br />
0 ⎥⎢<br />
⎥<br />
Δ = ⎜ −<br />
⎟<br />
=<br />
⎝ 3 3 3 ⎠⎢<br />
18 ⎥⎢<br />
3 ⎥ 18<br />
⎢<br />
2<br />
Ma ⎥⎢<br />
1 ⎥<br />
⎢ 0 0 ⎥⎢<br />
⎥<br />
⎣<br />
18 ⎦⎣<br />
3 ⎦<br />
2<br />
5Ma<br />
I<br />
Δ<br />
= L’axe O<br />
2<br />
est aussi un axe principal d’inertie.<br />
18<br />
F<br />
2<br />
Exercice 18 :<br />
Pour mesurer la vitesse du vent, on construit un anémomètre à l’aide de quatre demi sphères<br />
creuses (S 1 ) , (S 2 ) , (S 3 ) , (S 4 ) de même masse m et de rayon R, liées entre elles par des<br />
tiges de masses négligeables, comme représenté sur la figure. La distance des centres des<br />
demi sphères au point O est égale à b.<br />
Déterminer le tenseur d’inertie de l’ensemble par rapport au point O.<br />
y<br />
y<br />
R<br />
o<br />
b<br />
b<br />
x<br />
O 2<br />
G 2<br />
y<br />
b<br />
O 3 O<br />
G 1<br />
G 3<br />
O<br />
b 1<br />
R<br />
O 4 G3<br />
x<br />
Solution :<br />
(O 1 ) , (O 2 ) , (O 3 ) , (O 4 ) : sont les centres des demi sphères<br />
(G 1 ) , (G 2 ) , (G 3 ) , (G 4 ) : sont les centres d’inertie des demi sphères<br />
OO = OO2<br />
= OO3<br />
= OO4<br />
1<br />
=<br />
b<br />
Les centres d’inertie des demi sphères sont connus par rapport à leurs centres respectifs :<br />
R<br />
G1<br />
= O2G2<br />
= O3G3<br />
= O4G<br />
(déjà calculé dans l’exercice 01.)<br />
2<br />
O1 4<br />
=<br />
170
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Pour résoudre cet exercice nous calculerons les tenseurs d’inertie de chaque demi sphère en<br />
son centre O puis on le calculera en son centre d’inertie G par le théorème de Hugens. On<br />
passera ensuite de chaque centre d’inertie au point O en appliquant encore une fois le<br />
théorème de Huygens.<br />
i<br />
1. Moment d’inertie de la sphère (S 1 ) en O 1<br />
Nous avons : ( xO y) et ( zO y)<br />
1 1<br />
des plans de symétrie alors : I I = I 0<br />
Les axes x et z jouent le même rôle donc :<br />
O 1<br />
O 1<br />
i<br />
O1 xy<br />
=<br />
O<br />
=<br />
1xz<br />
O1<br />
yz<br />
I O xx<br />
= I<br />
1 O 1 zz<br />
Le moment d’inertie d’une demi sphère creuse a été déjà calcule dans les exercice précédents.<br />
2<br />
On choit un élément de surface : tel que dm = σds<br />
= σR<br />
dψ<br />
cosθdθ<br />
avec : 0 ≤ ψ ≤ 2π<br />
et<br />
π<br />
2 2 2 2<br />
0 ≤ θ ≤ . Nous avons aussi : x + y + z = R ;<br />
2<br />
Calculons :<br />
I<br />
O 1 xx<br />
On peut écrire :<br />
2 2<br />
2<br />
∫ ( y + z ) dm + ∫ ( x +<br />
2<br />
I<br />
O<br />
+ =<br />
)<br />
1 xx<br />
I<br />
O1<br />
zz<br />
y dm<br />
S<br />
1<br />
S<br />
1<br />
2I<br />
2 2 2<br />
2<br />
2<br />
∫ ( x + y + z ) dm + ∫ y dm = ∫ R dm + ∫<br />
2 2 2<br />
=<br />
sin . cos<br />
1xx<br />
R θ σR<br />
dψ<br />
θdθ<br />
O<br />
S<br />
1<br />
S<br />
1<br />
S<br />
1<br />
S<br />
1<br />
π / 2<br />
2π<br />
2<br />
2 4 2<br />
2 4 1<br />
2<br />
2 R<br />
2I O<br />
mR R sin . cd(sin<br />
) d mR R . .2 mR 2 R .<br />
1xx<br />
= + σ ∫ θ θ ∫ ψ = + σ π = + σ π =<br />
3<br />
3<br />
0<br />
0<br />
4mR<br />
3<br />
2<br />
2<br />
4mR<br />
2 2<br />
2I O 1xx<br />
= ⇒ I<br />
O xx<br />
= mR = I<br />
1<br />
O1<br />
zz<br />
3<br />
3<br />
Calcul de<br />
∫<br />
S1<br />
I<br />
O 1 yy<br />
∫<br />
S1<br />
∫<br />
2 2<br />
2 2 2<br />
2<br />
2<br />
2 2 2<br />
I<br />
O<br />
= ( + ) = ( + + ) − = − sin . cos<br />
1yy<br />
x z dm x y z dm y dm R dm R θ σR<br />
dψ<br />
θdθ<br />
π / 2<br />
2π<br />
2<br />
2 4 2<br />
2 mR<br />
I<br />
O yy<br />
= mR −σ<br />
R ∫ sin θ.<br />
cd(sinθ<br />
) ∫ dψ<br />
= mR − =<br />
3<br />
0<br />
0<br />
2<br />
mR<br />
1<br />
3<br />
S1<br />
∫<br />
S1<br />
∫<br />
S1<br />
2<br />
Le tenseur d’inertie de (S 1 ) en O 1 est :<br />
I O 1<br />
( S<br />
1<br />
⎡2<br />
⎢<br />
mR<br />
3<br />
⎢<br />
) = ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
2<br />
mR<br />
3<br />
0<br />
2<br />
2<br />
3<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
2<br />
mR<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
171
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
On déduit le tenseur d’inertie au pointG<br />
1<br />
dans le repère ( O 1<br />
, x,<br />
y,<br />
z)<br />
par le théorème de<br />
R<br />
Huygens : les coordonnées de G<br />
1<br />
sont ( 0, , 0)<br />
dans ce repère.<br />
2<br />
2<br />
2<br />
I S ) I ( S m I S ) = I ( S − m<br />
= ( ) ⇒ ( )<br />
O<br />
(<br />
1 1)<br />
1 G<br />
+ d<br />
1<br />
1<br />
I G 1<br />
( S<br />
1<br />
⎡2<br />
⎢ mR<br />
⎢3<br />
) =<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢⎣<br />
2<br />
2<br />
⎛ R ⎞<br />
− m⎜<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠<br />
0<br />
0<br />
2<br />
3<br />
G<br />
(<br />
1 1)<br />
1 O<br />
d<br />
1<br />
1<br />
0<br />
mR<br />
0<br />
2<br />
− 0<br />
2<br />
3<br />
mR<br />
2<br />
0<br />
0<br />
⎛ R<br />
− m⎜<br />
⎝ 2<br />
Le tenseur d’inertie au pointO<br />
dans le repère ( O , x,<br />
y,<br />
z)<br />
se déduit aussi par le théorème de<br />
R<br />
Huygens : les coordonnées de G<br />
1<br />
sont ( b , , 0)<br />
dans ce repère.<br />
2<br />
2<br />
I ( S ) = I ( S m D<br />
1<br />
O 1 G 1)<br />
+<br />
I O<br />
I O<br />
( S<br />
1<br />
( S<br />
1<br />
⎡<br />
⎢<br />
2<br />
mR<br />
⎢3<br />
⎢<br />
) = ⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
2<br />
⎡ 2 2<br />
⎢<br />
mR<br />
3<br />
⎢ R<br />
) = ⎢−<br />
mb<br />
⎢ 2<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎣<br />
( )<br />
1<br />
2<br />
⎛ R ⎞ ⎛ R ⎞<br />
− m⎜<br />
⎟ + m⎜<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠<br />
R<br />
− mb<br />
2<br />
2<br />
3<br />
0<br />
R<br />
− mb<br />
2<br />
mR<br />
2<br />
0<br />
+ mb<br />
2<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
R<br />
− mb<br />
2<br />
2 2<br />
2<br />
mR − 0 + mb<br />
3<br />
2 2 ⎛ R<br />
0 mR − m⎜<br />
3 ⎝ 2<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
2 2 2<br />
mR + mb<br />
⎥<br />
3 ⎥<br />
⎦<br />
2<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
0<br />
0<br />
⎛<br />
+ m⎜b<br />
⎝<br />
2<br />
⎛ R<br />
+ ⎜<br />
⎝ 2<br />
Le moment d’inertie de ( S 3<br />
) se déduit facilement à partir de celui de S ) . Les coordonnées<br />
R<br />
de G<br />
3<br />
sont ( − b,<br />
− , 0)<br />
dans le repère ( O , x,<br />
y,<br />
z)<br />
, nous avons donc : I<br />
O<br />
( S1)<br />
= I<br />
O<br />
( S3)<br />
2<br />
De la même manière pour les demi sphères ( S 2<br />
) et S ) , nous avons :<br />
( 4<br />
( 1<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
Le tenseur d’inertie de (S 2 ) en O 2 est :<br />
I O 2<br />
( S<br />
2<br />
⎡2<br />
⎢<br />
mR<br />
3<br />
⎢<br />
) = ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎣<br />
2<br />
2<br />
3<br />
0<br />
mR<br />
0<br />
2<br />
2<br />
3<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
2<br />
mR<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
172
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
On déduit le tenseur d’inertie au pointG<br />
2<br />
dans le repère ( O , 2<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
par le théorème de<br />
R<br />
Huygens : les coordonnées de G<br />
2<br />
sont ( − 0, , 0) dans ce repère.<br />
2<br />
2<br />
2<br />
I S ) I ( S m I S ) = I ( S − m<br />
= ( ) ⇒ ( )<br />
O<br />
(<br />
2 2<br />
)<br />
2 G<br />
+ d<br />
2<br />
2<br />
I G<br />
2<br />
( S<br />
2<br />
⎡2<br />
⎢ mR<br />
⎢3<br />
⎢<br />
) = ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎣<br />
2<br />
− 0<br />
2<br />
3<br />
mR<br />
2<br />
0<br />
G<br />
(<br />
2 2<br />
)<br />
2 O<br />
d<br />
2<br />
2<br />
2<br />
⎛ R ⎞<br />
− m⎜<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠<br />
0<br />
2<br />
mR<br />
3<br />
2<br />
0<br />
0<br />
⎛ R<br />
− m⎜<br />
⎝ 2<br />
Le tenseur d’inertie au pointO<br />
dans le repère ( O , x,<br />
y,<br />
z)<br />
se déduit aussi par le théorème de<br />
R<br />
Huygens : les coordonnées de G<br />
2<br />
sont ( − , b,<br />
0)<br />
dans ce repère.<br />
2<br />
2<br />
I ( S ) = I ( S + m D<br />
2<br />
O<br />
2 G 2<br />
)<br />
( )<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
2<br />
I O<br />
( S<br />
2<br />
⎡<br />
⎢2<br />
2<br />
mR − 0 + mb<br />
⎢3<br />
⎢ R<br />
) = ⎢ mb<br />
⎢ 2<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎢⎣<br />
2<br />
0<br />
2<br />
R<br />
mb<br />
2<br />
2<br />
mR<br />
3<br />
2<br />
⎛ R ⎞ ⎛ R ⎞<br />
− m⎜<br />
⎟ + m⎜<br />
⎟<br />
⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠<br />
2<br />
2 ⎛ ⎞ ⎛<br />
2 R<br />
mR − m⎜<br />
⎟ + m⎜b<br />
3 ⎝ 2 ⎠<br />
⎝<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
0<br />
⎛ R<br />
+ ⎜<br />
⎝ 2<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
I O<br />
( S<br />
2<br />
⎡2<br />
2<br />
⎢<br />
mR + mb<br />
3<br />
⎢ R<br />
) = ⎢ mb<br />
⎢ 2<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎣<br />
2<br />
R<br />
mb<br />
2<br />
2<br />
mR<br />
3<br />
0<br />
2<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
2 2 2<br />
mR + mb<br />
⎥<br />
3 ⎥<br />
⎦<br />
Le moment d’inertie de ( S 4<br />
) se déduit facilement à partir de celui de S ) . Les coordonnées<br />
( 2<br />
de<br />
G<br />
3<br />
sont<br />
R<br />
( , − b , 0) dans le repère ( O , x,<br />
y,<br />
z)<br />
, nous avons donc :<br />
2<br />
I<br />
O<br />
( S<br />
2<br />
) = I<br />
O<br />
( S<br />
4<br />
)<br />
173
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le tenseur d’inertie du système au point O est donné par :<br />
I<br />
O<br />
( S)<br />
= 2I<br />
O<br />
( S1 ) + 2 I<br />
O<br />
( S<br />
2<br />
)<br />
I O<br />
⎡ 2 2<br />
⎢<br />
mR<br />
3<br />
⎢ R<br />
( S)<br />
= 2⎢−<br />
mb<br />
⎢ 2<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎣<br />
R<br />
− mb<br />
2<br />
2 2<br />
mR + mb<br />
3<br />
0<br />
2<br />
⎤ ⎡2<br />
2<br />
0<br />
⎥ ⎢<br />
mR + mb<br />
3<br />
⎥ ⎢ R<br />
0 ⎥ + 2⎢<br />
mb<br />
⎥ ⎢ 2<br />
2 2 2<br />
mR + mb<br />
⎥ ⎢<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎢<br />
0<br />
3<br />
⎣<br />
2<br />
R<br />
mb<br />
2<br />
2<br />
mR<br />
3<br />
0<br />
2<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
2 2 2<br />
mR + mb<br />
⎥<br />
3 ⎥<br />
⎦<br />
I O<br />
⎡8<br />
⎢<br />
mR<br />
3<br />
⎢<br />
( S)<br />
= ⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
2<br />
+ 2mb<br />
0<br />
0<br />
2<br />
8<br />
mR<br />
3<br />
2<br />
0<br />
+ 2mb<br />
0<br />
2<br />
8<br />
mR<br />
3<br />
2<br />
⎤<br />
0<br />
0<br />
+ 4mb<br />
2<br />
⎥ ⎥⎥⎥⎥⎥ ⎦<br />
Exercice 19 :<br />
Un solide homogène de densité ρ , de forme paraboloïde, est engendré par la rotation d’une<br />
surface parabolique autour de l’axe oz . L’équation de la parabole limitant cette surface est<br />
donnée par :<br />
z =<br />
h<br />
y 2<br />
R<br />
2<br />
1<br />
1. Montrer que la masse du solide est : M = ρπ<br />
2<br />
R h ;<br />
2<br />
2. Déterminer le tenseur d’inertie du solide au point O ;<br />
3. Calculer le moment d’inertie en G suivant l’axe Gx : I<br />
Gx<br />
z<br />
R<br />
z<br />
R<br />
x<br />
G<br />
o<br />
h<br />
y<br />
x<br />
G<br />
o<br />
y<br />
dz<br />
z<br />
h<br />
y<br />
y<br />
y<br />
x<br />
x<br />
174
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
1. Masse du solide<br />
On considère un élément de volume :<br />
dv = s. dz = πy<br />
2<br />
dz<br />
La masse du solide est égale à :<br />
M<br />
h<br />
2<br />
2 2<br />
= 2 R R h 1<br />
ρ ∫ dv = ρ∫πy<br />
dz = ρπ ∫ zdz = ρπ . = ρπR<br />
h h 2 2<br />
S<br />
S<br />
0<br />
2<br />
h<br />
2. Tenseur d’inertie du solide au point O ;<br />
Le solide a un axe de révolution (Oz) donc les axes (Ox) et (Oy) jouent le même rôle, nous<br />
avons ainsi :<br />
I = I<br />
Oxx<br />
Oyy<br />
I<br />
Oxx<br />
=<br />
h<br />
2 2<br />
2 2<br />
∫ y + z ) dm = ∫ ( z + z ) ρ . πy<br />
dz = ∫ ( z +<br />
S<br />
2<br />
2<br />
R<br />
R 2 R<br />
( z ) ρ.<br />
π<br />
h<br />
h<br />
h<br />
0<br />
h<br />
0<br />
2<br />
zdz<br />
I<br />
Oxx<br />
h 4<br />
h 2<br />
4 3 2 4<br />
2 2<br />
⎡ R<br />
⎤<br />
2 R 3<br />
⎡ R h R h ⎤<br />
2<br />
⎡ R h<br />
= ρπ ⎢∫ z dz + ∫ z dz⎥<br />
= ρπ ⎢ + ⎥ = ρπR<br />
h⎢<br />
+<br />
2<br />
⎣ h h ⎦ ⎣ 3 h 4 ⎦ ⎣ 3 4<br />
0<br />
0<br />
h<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
2 2<br />
( 4R<br />
3 )<br />
2 2<br />
2 ⎡ R h ⎤ M<br />
I M<br />
3 4 6<br />
h<br />
Oxx<br />
= ⎢ + ⎥ = +<br />
⎣ ⎦<br />
I<br />
Ozz<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
( x<br />
2<br />
+ y<br />
2<br />
) dm =<br />
∫<br />
S<br />
( x<br />
2<br />
+ y<br />
2<br />
+ z<br />
2<br />
− z<br />
2<br />
) dm =<br />
∫<br />
S<br />
( x<br />
2<br />
+ z<br />
2<br />
) dm +<br />
∫<br />
S<br />
2<br />
y dm −<br />
∫<br />
S<br />
z<br />
2<br />
dm<br />
I<br />
Ozz<br />
= I<br />
Oyy<br />
+<br />
∫<br />
S<br />
∫<br />
2 2<br />
y ρπ y dz −<br />
S<br />
2 2<br />
z ρπy<br />
dz = I<br />
Oyy<br />
+ ρπ<br />
∫<br />
S<br />
R<br />
h<br />
4<br />
2<br />
2<br />
2 R<br />
z dz − ρπ∫<br />
h<br />
S<br />
z<br />
3<br />
dz<br />
I<br />
I<br />
Ozz<br />
= I<br />
= I<br />
Oyy<br />
R<br />
+ ρπ<br />
h<br />
M<br />
+<br />
6<br />
4<br />
2<br />
3<br />
2<br />
h R<br />
. − ρπ<br />
3 h<br />
4<br />
h<br />
.<br />
4<br />
= I<br />
Oyy<br />
+ ρπR<br />
2<br />
⎡ R<br />
h⎢<br />
⎣ 3<br />
2<br />
h⎤<br />
− ⎥ = I<br />
4⎦<br />
2 2 M 2 2 M 2 2 4 2<br />
( 4R<br />
− 3h<br />
) = ( 4R<br />
+ 3h<br />
) + ( 4R<br />
− 3h<br />
) MR<br />
Ozz Oyy<br />
=<br />
6<br />
6<br />
3<br />
Oyy<br />
⎡ R<br />
+ 2M<br />
⎢<br />
⎣ 3<br />
2<br />
h⎤<br />
− ⎥<br />
4⎦<br />
Le tenseur d’inertie s’écrit :<br />
I O<br />
⎡M<br />
⎢ 6<br />
⎢<br />
( S)<br />
= ⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
2 2<br />
( 4R<br />
+ 3h<br />
)<br />
0<br />
0<br />
M<br />
6<br />
0<br />
2 2<br />
( 4R<br />
+ 3h<br />
)<br />
0<br />
4<br />
3<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
⎥<br />
2<br />
MR<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
175
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3. Calcul du moment d’inertie en G suivant l’axe Gx : I<br />
Gxx<br />
Nous utiliserons le théorème de Huygens pour passer du point O au point G.<br />
I<br />
( 2<br />
2<br />
= I M d ) ⇒ I = I − M ( d )<br />
Oxx Gxx<br />
+<br />
Gxx<br />
Déterminons d’abord les coordonnées du centre d’inertie G :<br />
Oxx<br />
L’axe (Oz) étant un axe de révolution alors le centre d’inertie se trouve sur cet axe d’où :<br />
1<br />
x G<br />
= y G<br />
= 0 et zG<br />
= ∫ zdm<br />
M<br />
S<br />
z<br />
G<br />
2<br />
2 3<br />
1<br />
2 ρπ R 2 ρπ R h<br />
= z y dz z dz .<br />
M<br />
∫ ρπ =<br />
=<br />
M h<br />
∫<br />
M h 3<br />
S<br />
h<br />
0<br />
2ρπ<br />
=<br />
2<br />
ρπR<br />
h<br />
2 3<br />
R h<br />
.<br />
h 3<br />
=<br />
2<br />
h<br />
3<br />
2<br />
z G<br />
=<br />
3 h<br />
I<br />
= I<br />
− M ( y<br />
+ z<br />
M<br />
) =<br />
+ 3h<br />
4<br />
− M h<br />
M ⎛<br />
= ⎜4R<br />
⎝<br />
2<br />
2 h<br />
2<br />
2 2<br />
2<br />
2<br />
on déduit : ( )<br />
6<br />
9 6 ⎜ 3 ⎟ Gxx Oxx<br />
G G<br />
⎠<br />
I Gxx<br />
M ⎛<br />
=<br />
⎜4R<br />
6 ⎝<br />
Exercice 20 :<br />
+<br />
2 h<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
3 ⎠<br />
4R<br />
On découpe une plaque carré de côté a et de masse m dans un disque plein et homogène de<br />
masse M et de rayon R, tel que représenté dans la figure<br />
1. Déterminer le tenseur d’inertie du disque par rapport au repère R ( O,<br />
x 0 , y , z 0 ) ;<br />
2. Déterminer le tenseur d’inertie de la plaque dans le repère R ( O,<br />
x1,<br />
y , z 1)<br />
puis dans le<br />
repère R ( O,<br />
x 0 , y , z 0 ) ;<br />
0<br />
→<br />
→<br />
0<br />
→<br />
3. En déduire le tenseur d’inertie du système dans le repère R ( O,<br />
x 0 , y , z 0 ) .<br />
→<br />
y 1<br />
→<br />
y<br />
0<br />
→<br />
x<br />
1<br />
→<br />
y 0<br />
0<br />
1<br />
→<br />
0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0<br />
→<br />
1<br />
→<br />
y<br />
1<br />
→<br />
+<br />
→<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
→<br />
o<br />
O<br />
→<br />
x<br />
0<br />
O →<br />
→<br />
a<br />
x 0 O<br />
x 1<br />
a<br />
176
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
1. Tenseur d’inertie du disque plein dans le repère R ( O,<br />
x 0 , y , z 0 )<br />
Déjà calculé à l’exercice 11.3<br />
0<br />
→<br />
→<br />
0<br />
→<br />
I O<br />
( disque)<br />
R<br />
0<br />
⎡MR<br />
⎢<br />
⎢<br />
4<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
MR<br />
4<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
MR<br />
2<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦ R<br />
0<br />
=<br />
MR<br />
4<br />
2<br />
⎡1<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
2⎥ ⎥⎥ ⎦ R<br />
0<br />
2. Tenseur d’inertie de la plaque dans le repère R ( O,<br />
x1,<br />
y , z 1)<br />
1<br />
→<br />
→<br />
1<br />
→<br />
Les plan (xOz) et (yOz) sont des plans de symétrie alors tous les produits d’inertie sont nuls.<br />
Les axes Ox et Oy jouent le même rôle : I ( plaque)<br />
I ( plaque)<br />
xx<br />
=<br />
Solide plan : z = 0 ⇒ I ( plaque)<br />
= I ( plaque)<br />
+ I ( plaque)<br />
2I<br />
( plaque)<br />
I<br />
zz xx<br />
yy<br />
=<br />
a / 2<br />
a / 2<br />
4<br />
2<br />
= 2 2<br />
2 a 2 a ma<br />
∫ y dm = ∫ y σ dxdy = σ ∫dx<br />
∫ y dy = σ = σa<br />
12 12 12<br />
xx<br />
=<br />
S<br />
S<br />
−a<br />
/ 2 −a<br />
/ 2<br />
yy<br />
2<br />
xx<br />
I<br />
yy<br />
= I xx<br />
et<br />
2<br />
ma<br />
I zz<br />
=<br />
6<br />
I O<br />
( plaque)<br />
R<br />
1<br />
⎡ma<br />
⎢<br />
⎢<br />
12<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢ 0<br />
⎣<br />
2<br />
0<br />
ma<br />
12<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
ma<br />
6<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦ R<br />
1<br />
=<br />
ma<br />
12<br />
2<br />
⎡1<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
2⎥ ⎥⎥ ⎦ R<br />
1<br />
On détermine le tenseur d’inertie de la plaque dans le repère<br />
R1<br />
0<br />
matrice de passage du repère vers le repère R .<br />
0<br />
→<br />
→<br />
0<br />
→<br />
R ( O,<br />
x 0 , y , z 0 )<br />
en utilisant la<br />
177
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
→<br />
→<br />
2<br />
→ →<br />
Nous avons : x<br />
1<br />
= cos 45°<br />
x0<br />
+ sin 45°<br />
y0<br />
= ( x0<br />
+ y0<br />
)<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
2<br />
→ →<br />
y<br />
1<br />
= −sin 45°<br />
x0<br />
+ cos 45°<br />
y0<br />
= ( − x0<br />
+ y0<br />
)<br />
2<br />
→ →<br />
z 1 = z 0<br />
⎛<br />
⎜ x<br />
⎜<br />
Sous forme matricielle nous aurons : ⎜ y<br />
⎜<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟ =<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎛ 1<br />
2 ⎜<br />
⎜−1<br />
2 ⎜<br />
⎝ 0<br />
1<br />
1<br />
0<br />
⎛<br />
0 ⎞⎜<br />
x<br />
⎟⎜<br />
0 ⎟⎜<br />
y<br />
2 ⎟⎜<br />
⎠<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
R1<br />
0<br />
La matrice de passage du repère vers le repère R est donnée par :<br />
⎛ 1 1 0 ⎞<br />
2 ⎜ ⎟<br />
P<br />
R1→<br />
R0<br />
= ⎜−1<br />
1 0 ⎟ et<br />
2 ⎜ ⎟<br />
⎝ 0 0 2 ⎠<br />
P<br />
T<br />
R1→<br />
R0<br />
=<br />
⎛1<br />
2 ⎜<br />
⎜1<br />
2 ⎜<br />
⎝0<br />
−1<br />
1<br />
0<br />
0 ⎞<br />
⎟<br />
0 ⎟<br />
2 ⎟<br />
⎠<br />
Le tenseur d’inertie de la plaque dans le repère R 1<br />
est calculé par :<br />
I<br />
T<br />
( plaque)<br />
R<br />
= PR<br />
1→R<br />
0<br />
. IO(<br />
plaque)<br />
R<br />
. PR<br />
1→<br />
O R0<br />
0<br />
1<br />
I O<br />
( plaque)<br />
R<br />
0<br />
=<br />
⎛1<br />
2 ⎜<br />
⎜1<br />
2 ⎜<br />
⎝0<br />
−1<br />
1<br />
0<br />
0 ⎞<br />
⎟ ma<br />
0 ⎟.<br />
⎟ 12<br />
2 ⎠<br />
2<br />
⎡1<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
.<br />
2⎥⎦<br />
R<br />
1<br />
⎛ 1<br />
2 ⎜<br />
⎜−1<br />
2 ⎜<br />
⎝ 0<br />
1<br />
1<br />
0<br />
0 ⎞<br />
⎟<br />
0 ⎟<br />
2 ⎟<br />
⎠<br />
I O<br />
( plaque)<br />
R<br />
0<br />
ma<br />
=<br />
24<br />
ma<br />
=<br />
12<br />
2<br />
2<br />
⎛1<br />
⎜<br />
⎜1<br />
⎜<br />
⎝0<br />
⎛1<br />
⎜<br />
⎜0<br />
⎜<br />
⎝0<br />
0<br />
1<br />
0<br />
−1<br />
0 ⎞⎛<br />
1<br />
⎟⎜<br />
1 0 ⎟⎜<br />
−1<br />
0 2 ⎟⎜<br />
⎠⎝<br />
0<br />
0⎞<br />
0<br />
2⎟ ⎟⎟ ⎠R<br />
0<br />
1<br />
1<br />
0<br />
0 ⎞<br />
⎟<br />
0 ⎟ =<br />
2 2 ⎟<br />
⎠<br />
ma<br />
24<br />
2<br />
⎛2<br />
⎜<br />
⎜0<br />
⎜<br />
⎝0<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0⎞<br />
⎟<br />
0⎟<br />
4⎟<br />
⎠R<br />
0<br />
le résultat reste inchangé dans les deux repères.<br />
178
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3. Tenseur d’inertie du système dans le repère R ( O,<br />
x 0 , y , z 0 ) .<br />
0<br />
→<br />
→<br />
0<br />
→<br />
I<br />
O<br />
( Système)<br />
= I ( disque)<br />
− I ( plaque)<br />
O<br />
O<br />
I O<br />
( Système)<br />
=<br />
MR<br />
4<br />
2<br />
⎡1<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
2⎥⎦<br />
R<br />
0<br />
−<br />
ma<br />
12<br />
2<br />
⎛1<br />
⎜<br />
⎜0<br />
⎜<br />
⎝0<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0⎞<br />
⎟<br />
0⎟<br />
2⎟<br />
⎠R<br />
0<br />
⎛ MR<br />
=<br />
⎜<br />
⎝ 4<br />
2<br />
−<br />
ma<br />
12<br />
2<br />
⎡1<br />
⎞⎢<br />
⎟<br />
⎢<br />
0<br />
⎠<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
2⎥ ⎥⎥ ⎦ R<br />
0<br />
or nous avons :<br />
2 2 2 2<br />
= R + R 2R ⇒ R 2<br />
a =<br />
tenseur, nous obtenons :<br />
a = en le remplaçant dans l’expression du<br />
I O<br />
⎛ MR<br />
( Système)<br />
=<br />
⎜<br />
⎝ 4<br />
2<br />
−<br />
2mR<br />
12<br />
2<br />
⎡1<br />
⎞⎢<br />
⎟<br />
⎢<br />
0<br />
⎠<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
2⎥ ⎥⎥ ⎦ R<br />
0<br />
I O<br />
( Système)<br />
=<br />
1<br />
12<br />
( 3M<br />
− 2 )<br />
m R<br />
2<br />
⎡1<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
2⎥ ⎥⎥ ⎦ R<br />
0<br />
179
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CHAPITRE V<br />
CINEMATIQUE DU POINT MATERIEL<br />
179
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CINEMATIQUE DU POINT MATERIEL<br />
1. Définition<br />
La cinématique est l’étude des mouvements dans l’espace et le temps indépendamment des<br />
causes qui les a produit et des phénomènes qui les influencent. La position du point matériel P<br />
est déterminée dans l’espace à chaque instant du mouvement.<br />
Par rapport à la statique où à la géométrie des masses, traités dans les chapitres précédents, la<br />
cinématique introduit un nouveau paramètre qui est le temps. Ce paramètre sert à fixer et à<br />
repérer toutes les positions occupées par le point matériel, parmi toutes les positions qu’il a<br />
occupé auparavant.<br />
La notion de temps permet de rendre compte de la simultanéité de deux événements, de<br />
l’ordre de leurs successions et de la durée de l’intervalle qui les sépare. Ceci nous amène à<br />
travailler dans un repère où un observateur lié à ce repère, peut étudier le mouvement dans<br />
l’espace et le temps.<br />
2. Hypothèses fondamentales<br />
Pour étudier le mouvement d’un point matériel P où plus généralement d’un système de<br />
particules où de solides un observateur doit repérer leur position :<br />
- dans l’espace ;<br />
- dans le temps.<br />
En cinématique classique, on suppose que :<br />
- l’espace est Euclidien ( à trois dimensions) ;<br />
- le temps est absolu (indépendant de l’observateur)<br />
3. Les référentiels<br />
Afin d’étudier complètement le mouvement cinématique, l’observateur doit définir :<br />
- un repère d’espace, lié à l’observateur, avec une origine O et une base orthonormée<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→ → →<br />
( i , j,<br />
k)<br />
, le trièdre ( O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
ainsi constitué défini complètement le repère d’espace ;<br />
- un repère de temps (échelle de temps) par une origine et une unité de mesure. Dans le<br />
système MKSA la seconde est l’unité de mesure du temps.<br />
180
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le repère d’espace et le repère de temps définissent à eux deux le repère <br />
noté (R).<br />
Dans ce repère, à un instant donné par l’horloge,<br />
la position d’un point P(t) est définie par ses<br />
→<br />
z<br />
coordonnées , x(t) ; y(t) ; z(t) tel que :<br />
−−→ → → →<br />
o<br />
→<br />
OP = x(<br />
t)<br />
i + y(<br />
t)<br />
j+<br />
z(<br />
t)<br />
k<br />
y<br />
La position du point P est connue de façon<br />
→<br />
x<br />
instantanée dans l’espace et dans le temps.<br />
P(t) P(t+Δt)<br />
3.1. Trajectoires et vecteurs vitesses<br />
Soit P un point matériel repéré dans un référentiel<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k )<br />
fixe. Sa position est donnée<br />
à chaque instant par le vecteur :<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
r ( t)<br />
= OP(<br />
t)<br />
= x(<br />
t)<br />
i + y(<br />
t)<br />
j+<br />
z(<br />
t)<br />
k . On dit que le vecteur<br />
→<br />
→<br />
r (t)<br />
⎧x(<br />
t)<br />
→<br />
⎪<br />
a pour composante dans le repère fixe : r ( t)<br />
= ⎨y(<br />
t)<br />
à l’instant t .<br />
⎪<br />
⎩z(<br />
t)<br />
Le déplacement du point P dans l’espace est donné par les équations paramétriques des<br />
coordonnées (x, y, z) en fonction du temps. En éliminant le paramètre temps entre elles, on<br />
obtient la trajectoire décrite par ce point dans l’espace.<br />
x<br />
x+Δx<br />
z+Δz<br />
z<br />
P(t+Δt)<br />
o<br />
P(t)<br />
y+Δy<br />
y<br />
→<br />
x<br />
→<br />
z<br />
→<br />
y<br />
→<br />
−−→<br />
r ( t)<br />
= OP(<br />
t)<br />
: position du point P dans R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
à l’instant t .<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
r ( t + Δt)<br />
= OP(<br />
t + Δt)<br />
: position du point P dans R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
à l’instant t + Δt<br />
.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
181
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
→<br />
Le vecteur déplacement de la position r (t) à r ( t + Δt)<br />
est donnée par :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Δ r ( t)<br />
= r ( t + Δt)<br />
− r ( t)<br />
. Les positions occupées par le point P dans l’espace, décrivent une<br />
→ → →<br />
trajectoire (Γ)<br />
par rapport au référentiel R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k ) choisi.<br />
2<br />
⎧ x(<br />
t)<br />
= 2t<br />
+ 3<br />
→<br />
⎪<br />
Exemple : r ( t)<br />
= ⎨y(<br />
t)<br />
= t / 2 , en éliminant t on obtient : x = 8y<br />
2 + 3<br />
⎪<br />
⎩<br />
z(<br />
t)<br />
= 0<br />
C’est l’équation d’une parabole dans le plan (xoy). Le mouvement se fait selon une trajectoire<br />
parabolique.<br />
La trajectoire à elle seule n’est pas suffisante pour caractériser complètement le mouvement<br />
du point P. Il est nécessaire de préciser et d’étudier les variations du vecteur déplacement<br />
car ceci nous amènera à connaître le vecteur vitesse du point par la première dérivée et le<br />
vecteur accélération par la seconde dérivée par rapport au temps. Ces deux vecteurs<br />
permettent de caractériser totalement le mouvement du point P sur la trajectoire.<br />
3.2. Vecteur vitesse<br />
Le point matériel se déplace de la position P(t) à la position P(t+Δt) pendant la durée de<br />
temps Δt à la vitesse moyenne :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V → )<br />
moy<br />
r ( t + Δt)<br />
− r ( t)<br />
Δ r ( t<br />
( t)<br />
=<br />
= ;<br />
Δt<br />
Δt<br />
Le vecteur vitesse instantanée est obtenu lorsque : Δt → 0 , elle est définie par :<br />
→<br />
→ →<br />
)<br />
V ( t)<br />
= lim<br />
Δt→0<br />
V<br />
moy<br />
( t)<br />
= lim<br />
Δt→0<br />
3.3. Vecteur accélération<br />
Δ r ( t<br />
Δt<br />
, on a ainsi la vitesse instantanée: V ( t)<br />
=<br />
→<br />
→<br />
d r ( t)<br />
dt<br />
La dérivée du vecteur vitesse dans le même repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
donne l’accélération<br />
instantanée du point P :<br />
→<br />
→<br />
2<br />
→<br />
d V ( t)<br />
d t ( t)<br />
γ ( t)<br />
= =<br />
2<br />
dt dt<br />
Les deux vecteurs cinématiques permettent de comprendre la nature du mouvement et de<br />
prévoir les différentes phases selon le que le vecteur vitesse est de même sens ou de sens<br />
contraire au vecteur accélération.<br />
182
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
4. Les systèmes de coordonnées<br />
Le point matériel P peut être repéré dans l’espace dans un repère fixe (R) de centre O par<br />
trois types de coordonnées différentes mais liées entre elles :<br />
- Cartésiennes : (x, y, z) vecteurs unitaires du repère ( i , j,<br />
k)<br />
- Cylindriques : ( r,θ , z)<br />
vecteurs unitaires du repère ( , u , k)<br />
- Sphériques : ( r , θ , ϕ)<br />
vecteurs unitaires du repère ( e , e θ<br />
, e r ϕ<br />
)<br />
Ces trois types de coordonnées permettent de décrire tous les types de mouvements du point P<br />
dans l’espace.<br />
4.1. Les coordonnées cartésiennes<br />
Elles sont aussi appelées coordonnées rectangulaires.<br />
→<br />
→<br />
u r<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
θ<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Si le point P est repéré dans<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
par les coordonnées cartésiennes (x, y, z) qui<br />
dépendent du temps, alors le vecteur position OP s’écrirait : OP = x i + y j+<br />
z k ; on déduit<br />
le vecteur vitesse et le vecteur accélération par la première et la seconde dérivée :<br />
−→<br />
→<br />
d OP(<br />
t)<br />
dx<br />
→<br />
dy<br />
→<br />
dz<br />
→<br />
→ • → • → • →<br />
V ( t)<br />
= = i + j+<br />
k ; notée sous forme : V ( t) = x i + y j+<br />
z k<br />
dt dt dt dt<br />
−−→<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
avec :<br />
→<br />
•<br />
2<br />
•<br />
2<br />
V ( t)<br />
= x + y + z<br />
•<br />
2<br />
→<br />
→<br />
2 → 2 → 2<br />
t d V ( t)<br />
d x d y d<br />
( ) = i + j+<br />
2<br />
2<br />
2<br />
z<br />
→<br />
→ •• → •• → •• →<br />
γ = k ; notée sous forme : γ (t) = x i + y j+<br />
z k<br />
dt dt dt dt<br />
avec :<br />
→<br />
••<br />
2<br />
••<br />
2<br />
••<br />
2<br />
γ ( t)<br />
= x + y + z<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
OP = x i + y j+<br />
z k ;<br />
⎧x<br />
−−→<br />
⎪<br />
OP = ⎨y<br />
⎪<br />
R ⎩z<br />
z<br />
→<br />
z<br />
P(t)<br />
2 2<br />
OP = x + y +<br />
z<br />
2<br />
x<br />
o<br />
y<br />
→<br />
y<br />
→<br />
x<br />
183
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
4.2. Les coordonnées cylindriques ( r,<br />
θ , z)<br />
Si le point P est repéré par les coordonnées cylindriques : ( r, θ , z)<br />
qui dépendent du temps<br />
→ → →<br />
R<br />
r θ<br />
dans un repère ( O,<br />
u , u , k ) , le vecteur position s’écrirait :<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
OP = r u + z k<br />
r<br />
−→<br />
→<br />
d OP<br />
• →<br />
d u<br />
• →<br />
r<br />
V = = r ur<br />
+ r + z k<br />
dt<br />
dt<br />
avec<br />
→<br />
d u<br />
dt<br />
→ • → • →<br />
V r ur + rθ<br />
uθ<br />
V<br />
r<br />
→<br />
→<br />
d u<br />
• →<br />
r dθ<br />
= . = θ uθ<br />
, on obtient ainsi :<br />
dθ<br />
dt<br />
• →<br />
= + z k<br />
•<br />
•<br />
•<br />
r<br />
= r , Vθ<br />
= r θ , Vz<br />
= z<br />
→<br />
x<br />
→<br />
z<br />
o<br />
r<br />
θ<br />
P(t)<br />
z<br />
→<br />
u<br />
θ<br />
→<br />
u<br />
r<br />
→<br />
y<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Dans le repère R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
le vecteur OP s’écrit :<br />
L’accélération est déterminée par :<br />
−→<br />
⎧r<br />
cosθ<br />
−→<br />
⎪<br />
OP = ⎨r<br />
sinθ<br />
⎪<br />
⎩z<br />
−→<br />
→<br />
• →<br />
• →<br />
→ 2<br />
d OP d V d(<br />
r u d r u<br />
•• →<br />
r<br />
) ( θ<br />
θ<br />
)<br />
γ = = = + + z k<br />
2<br />
dt dt dt dt<br />
→<br />
→<br />
→ •• → •<br />
d u<br />
• • → •• → •<br />
•• →<br />
r<br />
d uθ<br />
γ = r ur<br />
+ r + rθ<br />
uθ<br />
+ rθ<br />
uθ<br />
+ rθ<br />
+ z k<br />
dt<br />
dt<br />
or nous avons :<br />
→<br />
d u<br />
dt<br />
r<br />
→<br />
d u<br />
• →<br />
r dθ<br />
= . = θ uθ<br />
;<br />
dθ<br />
dt<br />
L’expression de l’accélération devient :<br />
→<br />
d u<br />
dt<br />
θ<br />
→<br />
d u<br />
• →<br />
θ dθ<br />
= . = −θ<br />
ur<br />
dθ<br />
dt<br />
→<br />
•• • → •• • • →<br />
2<br />
r−<br />
rθ<br />
) ur + ( rθ<br />
+ 2rθ<br />
uθ<br />
•• →<br />
γ = (<br />
) + z k<br />
d’où :<br />
••<br />
•<br />
2 2<br />
• •<br />
2<br />
••<br />
2<br />
γ = ( r−<br />
rθ<br />
) + ( rθ<br />
+ 2rθ<br />
) + z<br />
••<br />
•• •<br />
•• • •<br />
••<br />
2<br />
γ<br />
r<br />
= ( r−<br />
rθ<br />
) ; γ<br />
θ<br />
= ( rθ<br />
+ 2rθ<br />
) ; γ<br />
z<br />
= z<br />
4.3. Les coordonnées sphériques ( r , θ , ϕ)<br />
⎧r<br />
cosϕ<br />
cosθ<br />
→ → →<br />
−→<br />
−→<br />
⎪<br />
Dans le repère R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
le vecteur OP a pour composantes : OP = ⎨r<br />
cosϕ<br />
sinθ<br />
⎪<br />
⎩r<br />
sinϕ<br />
En coordonnées sphériques il s’écrit : OP<br />
−→<br />
→ →<br />
= OP.er<br />
= r er<br />
184
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
e<br />
ϕ<br />
→<br />
z<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
→<br />
e r<br />
→<br />
u<br />
→<br />
z<br />
o<br />
→<br />
e ϕ<br />
r<br />
ϕ<br />
→<br />
e r<br />
→<br />
e θ<br />
→<br />
y<br />
avec :<br />
→<br />
x<br />
θ<br />
→<br />
e θ<br />
→<br />
u<br />
→<br />
e r<br />
→<br />
→<br />
= cos ϕ u+<br />
sinϕ<br />
k ; e<br />
→<br />
ϕ<br />
→<br />
→<br />
= −sinϕ<br />
u+<br />
cosϕ<br />
k<br />
→<br />
→<br />
→<br />
u = ϕ er − sinϕ<br />
eϕ<br />
cos ;<br />
→<br />
→<br />
= e θ<br />
d u<br />
dθ<br />
;<br />
→<br />
d e<br />
→<br />
θ<br />
= − u<br />
dθ<br />
;<br />
→<br />
e<br />
→<br />
= e ϕ<br />
→<br />
d r<br />
d e →<br />
ϕ<br />
; = −er<br />
dϕ<br />
dϕ<br />
alors :<br />
→<br />
d e r<br />
dt<br />
→<br />
• →<br />
d u<br />
• → • → • → • →<br />
= − ϕ sin ϕ u+<br />
cos ϕ + ϕ cos ϕ k = θ cos ϕ eθ − ϕ sin ϕ u+<br />
ϕ cos ϕ k<br />
dt<br />
→<br />
d e r<br />
dt<br />
• → •<br />
→<br />
→ • → • →<br />
= θ ϕ eθ<br />
+ ϕ ( − sin ϕ u+<br />
cos ϕ k ) = θ cos ϕ eθ<br />
+ ϕ eϕ<br />
cos ; on déduit la vitesse du point P :<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
d OP d(<br />
r e<br />
• →<br />
• → • → • →<br />
r<br />
) d er<br />
V = = = r er<br />
+ r = r er<br />
+ rθ<br />
cosϕ<br />
eθ<br />
+ rϕ<br />
eϕ<br />
dt<br />
dt<br />
dt<br />
→<br />
; ⇒ V<br />
⎧<br />
⎪<br />
= ⎨V<br />
⎪<br />
⎪V<br />
⎩<br />
•<br />
V r<br />
= r<br />
•<br />
θ<br />
= rθ<br />
cosϕ<br />
•<br />
ϕ<br />
= rϕ<br />
l’accélération se déduit facilement en dérivant l’expression de la vitesse par rapport au temps :<br />
→<br />
γ =<br />
−→ • →<br />
• →<br />
• →<br />
d V d(<br />
r e d r e d(<br />
r e )<br />
r<br />
) ( θ cosϕ<br />
) ϕ<br />
θ<br />
ϕ<br />
= +<br />
+<br />
dt dt dt<br />
dt<br />
(1) :<br />
• →<br />
d(<br />
r er<br />
)<br />
dt<br />
•• → • • → • → •• → • • → • • →<br />
= r er<br />
+ r(<br />
θ cosϕ<br />
eθ<br />
+ ϕ eϕ<br />
) = r er<br />
+ rθ<br />
cosϕ<br />
eθ<br />
+ rϕ<br />
eϕ<br />
(2) :<br />
• →<br />
d(<br />
rθ<br />
cosϕ<br />
eθ<br />
dt<br />
)<br />
• • → •• → • • → •<br />
d eθ<br />
= rθ<br />
cosϕ<br />
eθ<br />
+ rθ<br />
cosϕ<br />
eθ<br />
− rθ ϕ sinϕ<br />
eθ<br />
+ rθ<br />
cosϕ<br />
dt<br />
→<br />
d e<br />
dt<br />
→<br />
θ<br />
→<br />
d e<br />
• → • →<br />
→<br />
θ dθ<br />
= . = −θ<br />
u = −θ<br />
(cosϕ<br />
er<br />
− sinϕ<br />
eϕ<br />
)<br />
dθ<br />
dt<br />
• →<br />
•<br />
d( rθ<br />
cosϕ<br />
e )<br />
• • → •• → • • →<br />
→<br />
→<br />
θ<br />
2<br />
= rθ<br />
cosϕ<br />
eθ<br />
+ rθ<br />
cosϕ<br />
eθ<br />
− rθ ϕ sinϕ<br />
eθ<br />
− rθ<br />
cosϕ(cosϕ<br />
er<br />
− sinϕ<br />
eϕ<br />
)<br />
dt<br />
185
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
d<br />
• →<br />
•<br />
→ • •<br />
••<br />
• • → •<br />
( rθ<br />
cosϕ<br />
e<br />
→<br />
θ<br />
)<br />
2 2<br />
2<br />
= −rθ<br />
cos ϕ er<br />
+ ( rθ<br />
cosϕ<br />
+ rθ<br />
cosϕ<br />
− rθ ϕ sinϕ)<br />
eθ<br />
+ rθ<br />
cosϕ<br />
sinϕ<br />
eϕ<br />
dt<br />
• →<br />
d(<br />
rϕ<br />
eϕ<br />
)<br />
(3) :<br />
dt<br />
• • →<br />
= rϕ<br />
e<br />
ϕ<br />
•• →<br />
+ rϕ<br />
e<br />
ϕ<br />
→<br />
• d e<br />
+ rϕ<br />
dt<br />
ϕ<br />
• • →<br />
= rϕ<br />
e<br />
ϕ<br />
→<br />
•• → • d eϕ<br />
dϕ<br />
+ rϕ<br />
eϕ<br />
+ rϕ<br />
.<br />
dϕ<br />
dt<br />
comme<br />
d e<br />
→<br />
• →<br />
ϕ<br />
= −ϕ<br />
er<br />
dt<br />
alors<br />
En sommant les trois termes, on aboutit à :<br />
•• • •<br />
2 2 2<br />
γ<br />
r<br />
= r − rϕ<br />
− rθ<br />
cos ϕ<br />
γ θ<br />
γ ϕ<br />
• →<br />
d(<br />
rϕ<br />
e • • → •• → • →<br />
ϕ<br />
)<br />
2<br />
= rϕ<br />
eϕ<br />
+ rϕ<br />
eϕ<br />
− rϕ<br />
er<br />
• •<br />
• •<br />
••<br />
• •<br />
cosϕ<br />
d<br />
• • •<br />
2<br />
= r θ cosϕ<br />
+ rθ<br />
cosϕ<br />
+ rθ<br />
cosϕ<br />
− rθ ϕ sinϕ<br />
= . ( r θ ) − rθ ϕ sinϕ<br />
r dt<br />
• • •<br />
• • ••<br />
•<br />
2<br />
1 d<br />
•<br />
2<br />
2<br />
= r ϕ+<br />
rθ<br />
cosϕ<br />
sinϕ<br />
+ rϕ+<br />
rϕ<br />
= . ( r ϕ)<br />
+ rθ<br />
sinϕ<br />
cosϕ<br />
r dt<br />
dt<br />
5. Les mouvements curvilignes<br />
Soit P un point matériel décrivant une trajectoire curviligne le long d’une courbe<br />
(Γ) . Les<br />
→<br />
n<br />
→<br />
τ<br />
composantes normale et tangentielle à la courbe au point P sont naturellement les plus<br />
usitées pour décrire les mouvements curvilignes. Les composantes sont en mouvement avec le<br />
point matériel, le long de la trajectoire. Le sens positif de la normale est choisi dans toutes les<br />
positions vers le centre de la courbure. Ainsi le sens de la normale change en fonction de la<br />
courbure de la trajectoire.<br />
La vitesse et l’accélération du point matériel P, sont déterminées à partir de ces composantes<br />
et de leur changement de direction. Considérons un élément de cette courbe et étudions le<br />
mouvement du point matériel sur cette trajectoire.<br />
5.1. Abscisse curviligne<br />
Pendant une petite variation de temps dt , le point matériel est passé de la position P vers P’<br />
parcourant une distance ds (longueur d’arc) le long de la courbe avec un rayon de courbure<br />
ρ .<br />
Les points P et P’ sont infiniment voisins de telle sorte que la longueur de l’arc<br />
∩<br />
PP '<br />
compris, entre les deux points soit confondue avec la longueur ds = PP’ .<br />
186
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
La courbe est alors orientée dans le sens positif des s croissant. La variable s est appelée<br />
abscisse curviligne du point P .<br />
y<br />
o<br />
C<br />
→<br />
n<br />
d θ<br />
P<br />
ρ<br />
P’<br />
→<br />
V<br />
→<br />
V '<br />
→<br />
τ '<br />
→<br />
τ<br />
x<br />
P<br />
→<br />
n<br />
→<br />
n<br />
→<br />
τ<br />
→<br />
n<br />
→<br />
τ<br />
5.2. Tangente, Normale et Rayon de courbure<br />
A partir de la définition de l’abscisse curviligne nous pouvons écrire:<br />
ds = ρdθ<br />
−→<br />
Le vecteur déplacement OP est une fonction paramétrique de la variable angulaire θ .<br />
→<br />
Le vecteur unitaire τ tangent à la courbe est donné par la relation :<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
d OP d OP dt d OP 1 1 d OP<br />
τ = = . = . = et nous avons aussi V<br />
ds dt ds dt ds V dt<br />
dt<br />
−→<br />
=<br />
ds<br />
dt<br />
=<br />
−→<br />
d OP<br />
dt<br />
→<br />
2<br />
Nous avons aussi :<br />
2 d ( τ )<br />
→<br />
d ( τ )<br />
τ = 1 alors = 2τ<br />
•<br />
dθ<br />
dθ<br />
→<br />
→<br />
= 0<br />
, alors<br />
τ<br />
est perpendiculaire → τ<br />
dθ<br />
d →<br />
on pose<br />
→<br />
d τ<br />
→<br />
= n<br />
dθ<br />
; nous pouvons écrire :<br />
→<br />
→<br />
d τ d τ dθ<br />
1<br />
→<br />
= . = . n<br />
ds dθ<br />
ds ρ<br />
comme<br />
ds<br />
ρ<br />
dθ =<br />
→<br />
→<br />
d τ<br />
; alors = n .<br />
ds ρ<br />
→<br />
- le vecteur unitaire n de direction normale à la courbe ( Γ ) au point P est dirigé vers le<br />
centre de la courbure ;<br />
- ρ est un scalaire positif appelé rayon de courbure de la courbe (Γ)<br />
au point P.<br />
on déduit à partir du produit vectoriel du vecteur unitaire tangent à la courbe et du vecteur<br />
unitaire perpendiculaire à la courbe au même point P un troisième vecteur unitaire appelé<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
binormale : b = τ ∧ n . Ces trois vecteurs ( τ , n,<br />
b)<br />
forment une base orthonormée direct.<br />
→<br />
→<br />
187
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
Nous avons aussi : 2 →<br />
d n<br />
n = 1 ⇒ n • = 0 alors<br />
ds<br />
→<br />
d →<br />
n<br />
ds<br />
a des composantes dans le plan<br />
→<br />
perpendiculaire à n , il s’écrit alors :<br />
→<br />
d n<br />
ds<br />
→<br />
→<br />
= λ τ + μ b<br />
→<br />
d b<br />
ds<br />
=<br />
d<br />
ds<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
d τ<br />
→ →<br />
d n<br />
( τ ∧ n)<br />
= ∧ n + τ ∧<br />
ds ds<br />
=<br />
1<br />
→ → → → → → → →<br />
n∧<br />
n+<br />
τ ∧ ( λ τ + μ b)<br />
= τ ∧ μ b)<br />
= −μ<br />
n<br />
ρ<br />
d’où<br />
→<br />
d b<br />
ds<br />
→<br />
= −μ n . on pose par convention<br />
1<br />
− μ = ; nous obtenons finalement :<br />
T<br />
→<br />
d b<br />
ds<br />
→<br />
n<br />
1<br />
= : le scalaire est appelé torsion au point P de la courbe (Γ) il peut être<br />
T<br />
T<br />
positif ou négatif suivant que le vecteur<br />
contraire. Nous pouvons aussi écrire :<br />
d → b<br />
→<br />
a même sens que le vecteur n ou le sens<br />
ds<br />
→<br />
d n<br />
ds<br />
=<br />
d<br />
ds<br />
→<br />
→<br />
( b∧<br />
τ ) =<br />
→<br />
→<br />
d b<br />
→ →<br />
d τ 1<br />
→ → → →<br />
1<br />
∧ τ + b∧<br />
= n∧<br />
τ + b∧<br />
n = −<br />
ds ds T<br />
ρ<br />
→<br />
b<br />
−<br />
T<br />
→<br />
τ<br />
ρ<br />
on déduit finalement une relation entre les trois vecteurs de la base :<br />
→<br />
d n<br />
ds<br />
= −<br />
→<br />
b<br />
−<br />
T<br />
τ →<br />
ρ<br />
5.3. Repère de Frénet<br />
Les deux vecteurs unitaires ainsi définis, tangentiel τ et normal au point P constituent<br />
→<br />
→<br />
n<br />
→<br />
b<br />
)<br />
les premiers vecteurs de la base de Frénet. Le troisième vecteur unitaire de la base est<br />
obtenu par le produit vectoriel des deux premiers, il est appelé binormale à la courbe (Γ<br />
au<br />
point P est défini par : b = τ ∧ n .<br />
→<br />
→<br />
→<br />
La base ainsi obtenue est appelée base de Frénet. Elle dépend de l’abscisse curviligne s lié au<br />
point P . Le repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
P,<br />
τ , n,<br />
b)<br />
lié au point P est appelé repère de Frénet.<br />
188
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
5.4. Vitesse et accélération du point P dans le repère de Frénet<br />
Pendant une petite variation de temps dt le point matériel est passé de P à P’ parcourant une<br />
distance ds le long de la courbe ayant un rayon de courbure ρ .<br />
Nous pouvons écrire :<br />
→<br />
ds = ρ dθ<br />
où d θ est la variation de l’angle compris entre le<br />
→<br />
vecteur unitaires τ et τ ' tangents à la courbe aux points P et P’ .<br />
• La vitesse du point P est donnée par :<br />
→<br />
→ • → →<br />
•<br />
dθ<br />
s’écrit : V = ρ τ = ρθ τ = V τ avec V = ρθ<br />
⇒<br />
dt<br />
• L’accélération du point P est donnée par :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
d V d τ dV<br />
→<br />
γ = = V + τ nous avons :<br />
dt dt dt<br />
on déduit :<br />
→ • →<br />
dV<br />
→<br />
γ = V θ n+<br />
τ ; comme<br />
dt<br />
ds dθ<br />
V = = ρ ; sous la forme vectorielle, elle<br />
dt dt<br />
→<br />
→<br />
•<br />
θ =<br />
d τ d τ dθ<br />
• →<br />
= . = θ n et<br />
dt dθ<br />
dt<br />
•<br />
θ =<br />
V<br />
ρ<br />
V<br />
ρ<br />
→<br />
d n<br />
dt<br />
→<br />
d n dθ<br />
• →<br />
= . = −θ<br />
τ<br />
dθ<br />
dt<br />
l’expression de l’accélération devient :<br />
→<br />
V 2 →<br />
• →<br />
γ = n+<br />
V τ<br />
ρ<br />
Cette expression peut aussi s’écrire en fonction de s et de t car<br />
V<br />
=<br />
ds<br />
dt<br />
→<br />
→ 2<br />
1<br />
→<br />
⎛ ds ⎞ ⎛ d s ⎞<br />
γ = ⎜ ⎟ n +<br />
⎜<br />
⎟ τ<br />
2<br />
ρ ⎝ dt ⎠ ⎝ dt ⎠<br />
→<br />
' τ<br />
d θ<br />
→<br />
τ<br />
→<br />
d τ<br />
→<br />
γ<br />
n →<br />
V '<br />
→<br />
d V n<br />
θ<br />
→<br />
d<br />
→ d V τ<br />
V<br />
→<br />
γ<br />
d<br />
→<br />
V<br />
γ<br />
→<br />
n<br />
6. Les mouvements particuliers<br />
6.1. Mouvement à trajectoire circulaire<br />
On dit que la trajectoire d’un point P est circulaire dans un repère orthonormé<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
fixe, si le point P se déplace le long du périmètre du cercle de rayon a constant et<br />
appartenant au même repère.<br />
On choisit un cercle dans le plan (Oxy) de telle sorte que son centre coïncide avec celui du<br />
repère. Le point P sur le cercle est repéré par deux coordonnées :<br />
189
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
−→<br />
−→<br />
Le rayon a du cercle et l’angle θ = ( Ox,<br />
OP)<br />
que fait les vecteurs OP avec l’axe Ox .<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
Soit e<br />
r<br />
le vecteur défini par :<br />
−→<br />
→<br />
OP<br />
−→<br />
e<br />
r = , alors nous avons : OP OP . e<br />
OP<br />
→<br />
=<br />
r<br />
Le vecteur unitaire<br />
→<br />
e<br />
r<br />
change de direction avec l’angle θ : d’où<br />
→<br />
e<br />
→<br />
= e θ<br />
→<br />
d r<br />
d e<br />
→<br />
et<br />
θ<br />
= −er<br />
dθ<br />
dθ<br />
Le rayon de courbure est ici constant, la vitesse du point P est donnée par la dérivée du<br />
vecteur position :<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
d OP d e<br />
• →<br />
r<br />
d er<br />
dθ<br />
V ( P)<br />
= = a = a . = aθ<br />
eθ<br />
dt dt dθ<br />
dt<br />
L’accélération du point P se déduit par :<br />
→<br />
•<br />
d V ( P)<br />
→ ••<br />
2<br />
γ ( P)<br />
= −aθ<br />
er<br />
+ aθ<br />
e<br />
dt<br />
•<br />
θ = ω<br />
•• •<br />
→<br />
→<br />
→<br />
=<br />
θ<br />
: vitesse angulaire du point P ;<br />
θ = ω : accélération angulaire du point P .<br />
a<br />
→<br />
e<br />
θ<br />
o<br />
−<br />
→<br />
e r<br />
• →<br />
a θ e θ<br />
• →<br />
aθ<br />
2 er<br />
θ<br />
→<br />
γ<br />
La vitesse du point P est tangente au<br />
P<br />
•• →<br />
aθ e r<br />
cercle et a pour valeur algébrique : V (P)<br />
→<br />
• →<br />
= aθ eθ<br />
L’accélération du point P a deux composantes : l’une tangentielle :<br />
γ<br />
t<br />
•• •<br />
= aθ<br />
= aω<br />
, l’autre<br />
2<br />
2<br />
normale : γ = −aθ<br />
= −aω<br />
. On remarque que le vecteur accélération normal est<br />
n<br />
• →<br />
γ n<br />
−→<br />
toujours de sens opposé au vecteur position OP : γ<br />
→<br />
n<br />
→<br />
−→<br />
2<br />
2<br />
= −aω<br />
e = −ω<br />
OP<br />
Connaissant la vitesse et l’accélération angulaire nous pouvons connaître la nature du<br />
mouvement :<br />
r<br />
Si<br />
Si<br />
• ••<br />
θ<br />
θ<br />
• ••<br />
θ<br />
θ<br />
> 0<br />
< 0<br />
le mouvement est accéléré<br />
le mouvement est retardé<br />
Si<br />
••<br />
•<br />
θ = 0 ⇒ θ = Cte<br />
le mouvement est uniforme, l’accélération tangentielle est nulle, mais<br />
l’accélération normale ne l’est pas.<br />
190
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
6.2. Mouvement à trajectoire hélicoïdale<br />
Un point P est en mouvement sur une trajectoire hélicoïdale dans un repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k )<br />
s’il<br />
décrit une hélice droite, dessinée sur un cylindre de rayon a .<br />
Les coordonnées cartésiennes du point P dans ce repère sont données par les équations<br />
paramétriques en fonction du temps t sous la forme suivante :<br />
⎧x(<br />
θ ) = a cosθ<br />
( t)<br />
−→<br />
⎪<br />
OP = ⎨ y(<br />
θ ) = asinθ<br />
( t)<br />
; a : rayon de l’hélice<br />
⎪<br />
⎩ z(<br />
θ ) = bθ<br />
( t)<br />
L’angle θ<br />
joue le même rôle que dans les coordonnées cylindriques ou polaires. Le<br />
paramètre b = Cte est appelé pas de l’hélice. On remarque que, lorsque l’angle θ augmente<br />
de 2 π les positions x et y ne changent pas mais suivant l’axe vertical z on fait un<br />
déplacement de :<br />
2π b<br />
x ( θ + 2π<br />
) = x(<br />
θ ) ; y ( θ + 2π<br />
) = y(<br />
θ )<br />
z( θ + 2π<br />
) = b(<br />
θ + 2π<br />
) = bθ<br />
+ 2π<br />
b = z(<br />
θ ) + 2π<br />
b<br />
Le vecteur position du point P dans le repère R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
est donné par :<br />
−→<br />
→ → → →<br />
r<br />
+ z k = a er<br />
+ bθ<br />
OP = a e<br />
k<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Les vecteurs vitesse et accélération s’écriront :<br />
z<br />
• →<br />
bθ k<br />
V → (P)<br />
→<br />
• →<br />
• →<br />
V ( P)<br />
= aθ<br />
e + bθ<br />
k = V e + V k<br />
→<br />
θ<br />
• →<br />
2<br />
•• →<br />
θ<br />
→<br />
θ<br />
•• →<br />
γ ( P)<br />
= −aθ<br />
er + aθ<br />
e + bθ<br />
k<br />
θ<br />
z<br />
→<br />
a<br />
P<br />
• →<br />
a θ e θ<br />
On remarque que le rapport entre les composantes<br />
de la vitesse suivant les vecteurs unitaires<br />
est indépendant de l’angle θ .<br />
•<br />
V z bθ<br />
=<br />
• =<br />
Vθ<br />
aθ<br />
b<br />
a<br />
→<br />
e θ<br />
et<br />
→<br />
k<br />
x<br />
→<br />
k<br />
o<br />
→<br />
e<br />
θ<br />
θ e<br />
→ r<br />
y<br />
191
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Cette expression traduit le fait que toute tangente en un point P de l’hélice fait un angle<br />
constant avec la verticale passant par le point P et parallèle au vecteur<br />
. Le mouvement<br />
hélicoïdal est uniforme si la vitesse angulaire de rotation est constante, donc indépendante du<br />
•<br />
paramètre temps ( θ = ω = Cte ) .<br />
Dans ce cas la vitesse et l’accélération auront pour expressions :<br />
→<br />
→<br />
ω e θ<br />
→<br />
2 2<br />
V ( P)<br />
= a + bω<br />
k avec V ( P)<br />
= ω ( a + b )<br />
→<br />
→<br />
2<br />
γ ( P)<br />
= −aω<br />
er<br />
, l’accélération est dirigée vers l’intérieure de la courbure.<br />
On a vu précédemment dans les mouvements curvilignes que l’accélération du point P<br />
→<br />
→ 2<br />
dV V<br />
→<br />
→<br />
s’écrivait sous la forme : γ ( P)<br />
= τ + n où les vecteurs unitaires τ<br />
dt ρ<br />
et<br />
→<br />
n sont les<br />
vecteurs, tangentiel et normal au point P de la courbe.<br />
→<br />
k<br />
En appliquant cette relation dans le cas du mouvement hélicoïdal uniforme où<br />
→ →<br />
τ = e θ<br />
et<br />
→ →<br />
n = − er<br />
, sont les vecteurs tangentiel et normal au point P de la courbe nous obtenons :<br />
→<br />
→ 2 →<br />
2 V<br />
γ ( P)<br />
= −aω<br />
er<br />
= n ⇒<br />
ρ<br />
→<br />
2<br />
− aω<br />
e<br />
r<br />
2<br />
V<br />
= − e<br />
ρ<br />
→<br />
r<br />
⇔<br />
2<br />
2 V<br />
a ω = en remplaçant la vitesse<br />
ρ<br />
par son expression on aboutit à :<br />
2 2 2<br />
2 ω ( a + b )<br />
aω<br />
= ⇒<br />
ρ<br />
ρ =<br />
( a<br />
2<br />
+ b<br />
a<br />
2<br />
2<br />
) b<br />
= a +<br />
a<br />
Comme la normale en P est toujours dirigée vers l’intérieur de la courbure, on peut<br />
déterminer facilement le centre C de la courbure en écrivant la relation suivante :<br />
−→ →<br />
PC −ρ<br />
e<br />
=<br />
r<br />
→ → →<br />
R<br />
r θ<br />
Nous pouvons aussi associer au point P le repère de Frénet ( P,<br />
− e , e , k ) .<br />
7. Mouvements à trajectoires planes<br />
7.1. Définition<br />
→<br />
Soit O le centre d’un repère cartésien R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
fixe, tel que k = i ∧ j et P un point<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
en mouvement sur une trajectoire<br />
(Γ)<br />
dans le plan (xoy) de ce repère.<br />
192
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A.KADI<br />
En utilisant les coordonnées polaires ( r ,θ ) le vecteur position du point P s’écrira :<br />
−→<br />
→<br />
= r er<br />
OP avec r >0 avec : = cosθ i + sinθ<br />
j ⇒<br />
→<br />
e r<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
d e<br />
→<br />
→<br />
r<br />
e<br />
θ<br />
= = −sinθ<br />
i + cosθ<br />
j ; d’où<br />
dθ<br />
d e<br />
dθ<br />
→<br />
θ<br />
= −<br />
→ → →<br />
θ i − sinθ<br />
j = −er<br />
cos ainsi nous avons :<br />
→<br />
k = e<br />
→ →<br />
r<br />
∧ e θ<br />
La vitesse du point P en fonction de et est donnée par :<br />
→<br />
e r<br />
→<br />
e θ<br />
−→<br />
→<br />
d OP dr<br />
→<br />
dr dθ<br />
• → • →<br />
V = = er<br />
+ r = r er<br />
+ rθ<br />
eθ<br />
dt<br />
L’accélération aura pour expression :<br />
→ −→<br />
→<br />
2<br />
•<br />
d V d OP<br />
•<br />
→ • • •• →<br />
2<br />
γ = = = ( r−<br />
rθ<br />
) er + (2rθ<br />
+ rθ<br />
) e<br />
2<br />
θ<br />
dt<br />
dt<br />
dt<br />
dθ<br />
dt<br />
Géométriquement, les positions des points P et P’ sont infiniment voisines sur la<br />
trajectoire.<br />
En passant de P à P’ le vecteur position balaie l’aire dS qui est la surface du triangle OPP’ :<br />
dS<br />
=<br />
1<br />
2<br />
−→<br />
−→<br />
OP∧<br />
d OP<br />
=<br />
1 1 2<br />
r.<br />
rdθ = . r dθ<br />
2 2<br />
La dérivée de cette expression par rapport au temps, notée :<br />
•<br />
S<br />
est appelée vitesse aréolaire.<br />
y<br />
P’<br />
→<br />
e<br />
θ<br />
θ<br />
→<br />
j<br />
→<br />
e r<br />
P<br />
o<br />
θ<br />
x<br />
→<br />
i<br />
Elle représente l’aire balayée par unité de temps :<br />
•<br />
1<br />
•<br />
2 θ 1 2<br />
= = r = r θ<br />
S<br />
dS<br />
dt<br />
2<br />
d<br />
dt<br />
2<br />
193
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
7.2. Loi des aires<br />
Nous avons vu précédemment que le mouvement du point P étant dans un plan, sa vitesse<br />
s’écrivait :<br />
−→<br />
→<br />
d OP<br />
• → • →<br />
= = r e + rθ eθ<br />
V<br />
r<br />
; le produit vectoriel du vecteur déplacement par le<br />
dt<br />
vecteur vitesse conduit à la relation suivante :<br />
−→<br />
→ −→<br />
d OP<br />
→ • → • →<br />
→<br />
⎛ ⎞ 2 dθ<br />
2<br />
C = OP∧<br />
= r er<br />
∧ ⎜r er<br />
+ rθ e θ ⎟ = r k = r θ k<br />
dt ⎝ ⎠ dt<br />
la relation suivante :<br />
• →<br />
→ →<br />
•<br />
On pose : C = C k avec C = r<br />
2 θ , en comparant avec la vitesse aréolaire, on aboutit à<br />
•<br />
C<br />
S =<br />
2<br />
•<br />
dS 1<br />
• 2 C<br />
S = = r θ = ;<br />
dt 2 2<br />
; C : est appelée constante des aires.<br />
On remarque aussi que la dérivée de la constante des aires est reliée à l’accélération γ<br />
θ<br />
, car<br />
nous avons :<br />
•<br />
• • • •• • • ••<br />
2<br />
2<br />
C = d(<br />
r θ ) = 2r rθ<br />
+ r θ = r(2<br />
rθ<br />
+ rθ<br />
= rγ<br />
θ<br />
7.3. Mouvement à accélération centrale<br />
a) Définition<br />
On dit qu’un point P décrit un mouvement à accélération centrale dans le repère orthonormé<br />
⇒<br />
γ<br />
θ<br />
=<br />
C •<br />
r<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
si et seulement si, le vecteur position<br />
−→<br />
OP<br />
du point P est colinéaire avec son<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
vecteur accélération γ (P) . Dans ce cas nous pouvons écrire : γ ( P ) = λ OP avec<br />
λ ∈ IR .<br />
Le mouvement à accélération centrale est un mouvement à trajectoire plane, il résulte de la<br />
condition de la colinéarité que donne l'équation :<br />
−→<br />
−→ → →<br />
→<br />
2<br />
d OP<br />
OP∧ γ (P) = 0 avec γ ( P)<br />
=<br />
2<br />
dt<br />
En dérivant l’expression vectorielle<br />
−→<br />
−→<br />
d OP<br />
OP∧ et en tenant compte de la condition de<br />
dt<br />
colinéarité entre le vecteur position et le vecteur accélération, nous obtenons :<br />
194
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
d<br />
dt<br />
−→ −→ −→<br />
−→<br />
⎛<br />
−→<br />
⎞<br />
−→ 2 →<br />
⎜ d OP ⎟ d OP d OP d OP<br />
⎜<br />
OP∧ ⎟<br />
= ∧ + OP∧<br />
= 0<br />
2<br />
dt dt dt dt<br />
⎝ ⎠<br />
−→<br />
−→<br />
d OP<br />
→<br />
ce qui signifie que : OP ∧ = C est une constante indépendante du temps et appelée<br />
dt<br />
constante des aires comme précédemment.<br />
−→<br />
−→<br />
d OP<br />
→ • →<br />
2<br />
OP∧<br />
= C = r θ k<br />
dt<br />
2<br />
= •<br />
•<br />
C<br />
C r θ ⇒ θ =<br />
2<br />
r<br />
b) Expressions des vecteurs, vitesse et accélération, en fonction de la constante des aires<br />
•<br />
En remplaçant θ en fonction de C dans toute expression, nous avons :<br />
•<br />
r =<br />
dr<br />
dt<br />
dr dθ<br />
dr<br />
•<br />
= = θ =<br />
dθ<br />
dt dθ<br />
C<br />
2<br />
r<br />
dr d ⎛ 1 ⎞<br />
= −C<br />
⎜ ⎟<br />
dθ<br />
dθ<br />
⎝ r ⎠<br />
••<br />
r =<br />
•<br />
d r<br />
dt<br />
=<br />
•<br />
d r<br />
•<br />
θ =<br />
dθ<br />
C<br />
2<br />
r<br />
•<br />
d r<br />
=<br />
dθ<br />
C<br />
2<br />
r<br />
d ⎛ d ⎛ 1 ⎞⎞<br />
C<br />
⎜−<br />
C ⎜ ⎟⎟<br />
= −<br />
dθ<br />
⎝ dθ<br />
⎝ r ⎠⎠<br />
r<br />
2<br />
2<br />
2<br />
d<br />
2<br />
dθ<br />
⎛ 1 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ r ⎠<br />
•<br />
• 2<br />
C<br />
2 C<br />
r θ = et r θ =<br />
3<br />
r<br />
r<br />
En remplaçant ces expressions dans celles des vitesses et accélérations nous obtenons :<br />
→<br />
V ( P)<br />
d ⎛ 1 ⎞<br />
dθ<br />
⎝ r ⎠<br />
C<br />
r<br />
• → • →<br />
→ →<br />
= r er<br />
+ rθ<br />
eθ<br />
= −C<br />
⎜ ⎟er<br />
+ eθ<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
C<br />
r<br />
d 1<br />
dθ<br />
⎝ r ⎠<br />
→ •• • → • • •• →<br />
2 2<br />
2 → 2<br />
2 →<br />
⎛ ⎞<br />
⎛ ⎞<br />
V ( 2<br />
P)<br />
= ( r−<br />
rθ ) e + + = ⎜−<br />
⎜ ⎟ − ⎟ = − ⎜ + ⎜ ⎟⎟<br />
r<br />
(2rθ<br />
rθ<br />
) eθ<br />
er<br />
e<br />
2 2<br />
3<br />
2<br />
2<br />
r<br />
C<br />
r<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
C<br />
r<br />
⎛ 1<br />
⎜<br />
⎝ r<br />
d 1 ⎞<br />
dθ<br />
⎟<br />
⎝ r ⎠⎠<br />
195
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
c) Expression de la trajectoire en coordonnées polaires<br />
Nous avons une relation entre l’accélération du point P et le vecteur position, elle est donnée<br />
par :<br />
→<br />
−→<br />
γ ( P ) = λ OP<br />
; en les remplaçant leurs expressions respectives en coordonnées<br />
polaires et on obtient :<br />
2<br />
2<br />
C ⎛ 1 d ⎛ 1 ⎞⎞<br />
−<br />
⎜ + ⎜ ⎟<br />
⎟<br />
2<br />
2<br />
r ⎝ r dθ<br />
⎝ r ⎠⎠<br />
→<br />
er<br />
=<br />
→<br />
λ r e<br />
r<br />
2<br />
d ⎛ 1 ⎞ λ 3 1<br />
⇒ + + = 0<br />
2<br />
⎜ ⎟ r<br />
2<br />
dθ<br />
⎝ r ⎠ C r<br />
Lorsque la valeur de λ est connue, la résolution de cette équation permet de déterminer<br />
l’expression de r en fonction de θ .<br />
On obtient la loi du temps du mouvement à partir de la loi des aires, en effet nous avons :<br />
•<br />
= r<br />
2 θ<br />
C ⇐⇒<br />
2 dθ<br />
1 2<br />
C = r ; d’où dt = r dθ<br />
or r est une fonction θ : r = f (θ )<br />
dt<br />
C<br />
θ<br />
1 2<br />
1<br />
2<br />
dt = f ( θ ) dθ ⇒ t − t0 =<br />
C<br />
∫ f ( θ ) dθ<br />
; à partir de cette équation, on reconstruit la<br />
C<br />
trajectoire du point P .<br />
θ<br />
0<br />
196
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 01 :<br />
EXERCICES ET SOLUTIONS<br />
5π 1. Représenter les points A et B de coordonnées polaires : (1,0) et (2, ) ;<br />
4<br />
π<br />
2. Représenter les points C et D de coordonnées cylindriques : (2, ,2)<br />
et ( 2, π − 2)<br />
,<br />
2<br />
−→<br />
OA<br />
−→<br />
Exprimer les vecteurs et OB dans les repères locaux correspondant.<br />
π π<br />
3. Représenter les points E et F de coordonnées sphériques : (2, , )<br />
4 4<br />
−→<br />
Exprimer le vecteur EF dans le repère local : ( E , e , e θ<br />
, e r ϕ<br />
) .<br />
→<br />
On donne : e<br />
y<br />
o<br />
Solution :<br />
r<br />
→<br />
e<br />
e<br />
θ<br />
→<br />
ϕ<br />
→<br />
= sinθ<br />
cosϕ<br />
i + sinθ<br />
sinϕ<br />
j+<br />
cosθ<br />
k<br />
→<br />
= cosθ<br />
cosϕ<br />
i + cosθ<br />
sinϕ<br />
ji−<br />
sinθ<br />
k<br />
→<br />
→<br />
= −sinϕ<br />
i + cosϕ<br />
j<br />
θ<br />
M ( r,<br />
θ )<br />
x<br />
x<br />
z<br />
o<br />
→<br />
θ<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
π 3π<br />
et (1, , ) ;<br />
3 4<br />
1. Les coordonnées polaires : M ( r,<br />
θ ) avec OM r u où est un vecteur unitaire<br />
r<br />
z<br />
H<br />
−−→<br />
A ( 1, 0) ⇒ OA = r = 1 et θ = 0<br />
5π<br />
5π<br />
π<br />
B (2, ) ⇒ OB = r = 2 et θ = = π +<br />
4<br />
4 4<br />
M ( r,<br />
θ , z)<br />
→<br />
=<br />
r<br />
y<br />
→<br />
u r<br />
x<br />
z<br />
o<br />
ϕ<br />
θ<br />
r<br />
M ( r,<br />
θ , ϕ)<br />
H<br />
y<br />
2. Les coordonnées cylindriques : M ( r,<br />
θ , z)<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
OM = r ur + z k où u r<br />
est un vecteur unitaire<br />
−→ → →<br />
π<br />
π<br />
C( 2, , 2) ⇒ OC = 2ur + 2 k , θ =<br />
2<br />
2<br />
π<br />
π<br />
C( x = 2cos , y = 2sin , z = 2 )<br />
2<br />
2<br />
−→<br />
D( 1, π , −1)<br />
⇒ OD = u r<br />
− k , θ = π<br />
D( x = 1cosπ<br />
, y = 1sinπ<br />
, z = −1)<br />
→<br />
→<br />
x<br />
z<br />
C(0, 2, 2)<br />
o y<br />
D ( − 1, 0, −1)<br />
196
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
−→<br />
−→<br />
Expressions des vecteurs OA et OB dans leurs repères locaux respectifs :<br />
−→<br />
Le OA peut s’écrire :<br />
Dans le repère local :<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎝<br />
−→ −→ → → −→ → → −→ → →<br />
= ⎜OA•<br />
ur<br />
⎟ur<br />
+ ⎜OA•<br />
uθ<br />
⎟uθ<br />
+ ⎜OA•<br />
k ⎟ k<br />
OA<br />
→<br />
⎧ π<br />
→<br />
π<br />
→ →<br />
⎪<br />
u r<br />
= cos i + sin j = j<br />
2 2<br />
⎪ →<br />
π<br />
→<br />
π<br />
→<br />
⎨uθ<br />
= −sin<br />
i + cos j = − i<br />
⎪ 2 2<br />
→ →<br />
⎪ k = k<br />
⎪⎩<br />
→ → →<br />
π<br />
( A,<br />
u r<br />
, u θ<br />
, k ) avec θ = nous avons :<br />
2<br />
→<br />
−→ −→ → → −→ → → −→ → → → →<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
d’où : OA = ⎜OA•<br />
j ⎟ur + ⎜OA•<br />
( − i ) ⎟uθ<br />
+ ⎜OA•<br />
k ⎟ k = 2ur<br />
+ 2 k<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
De la même manière pour le vecteur<br />
−→<br />
OB<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎠<br />
−→<br />
Le OB peut s’écrire :<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎝<br />
−→ −→ → → −→ → → −→ → →<br />
= ⎜OB•<br />
ur<br />
⎟ur<br />
+ ⎜OB•<br />
uθ<br />
⎟uθ<br />
+ ⎜OB•<br />
k ⎟ k<br />
OB<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎠<br />
Dans le repère local :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
( B,<br />
u r<br />
, u θ<br />
, k ) avec θ = π nous avons :<br />
→<br />
→ → →<br />
⎧<br />
⎪<br />
u r<br />
= cosπ<br />
i + sinπ<br />
j = − i<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
⎨ uθ<br />
= −sinπ<br />
i + cosπ<br />
j = − j<br />
⎪<br />
→ →<br />
⎪ k = k<br />
⎩<br />
−→ −→ → → −→ → → −→ → → → →<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
d’où : OB = ⎜OB•<br />
( − i ) ⎟ur<br />
+ ⎜OB•<br />
( − j)<br />
⎟uθ<br />
+ ⎜OB•<br />
k ⎟ k = ur<br />
− k<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
3. Les coordonnées sphériques ( r , θ , ϕ)<br />
⎧x<br />
= r cosθ<br />
cosϕ<br />
−−→ →<br />
→<br />
−→<br />
⎪<br />
OM = r er<br />
où e r<br />
est un vecteur unitaire OM ⎨ y = r cosθ<br />
sinϕ<br />
⎪<br />
⎩z<br />
= r sinθ<br />
π π<br />
E (2, , ) ⇒<br />
4 4<br />
⎧ x = 1<br />
−→<br />
⎪<br />
π 3π<br />
OE ⎨ y = 1 ; et F (2, , ) ⇒<br />
⎪<br />
3 4<br />
⎩z<br />
= 2<br />
⎧x<br />
= −<br />
−→<br />
⎪<br />
OF ⎨ y =<br />
⎪<br />
⎩<br />
z =<br />
6 / 4<br />
6 / 4<br />
1/ 2<br />
197
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Expression du vecteur<br />
−→<br />
EF dans le repère local ( E , e<br />
→<br />
, e → →<br />
, e π π<br />
r θ ϕ<br />
) avec : θ = et ϕ =<br />
4 4<br />
On donne :<br />
→<br />
e r<br />
→<br />
= sinθ<br />
cosϕ<br />
i + sinθ<br />
sinϕ<br />
j+<br />
cosθ<br />
k<br />
→<br />
→<br />
⇒<br />
e →<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
= i + j+<br />
k<br />
r<br />
2 2 2<br />
→<br />
e<br />
θ<br />
→<br />
= cos θ cosϕ<br />
i + cosθ<br />
sinϕ<br />
j−<br />
sinθ<br />
k ⇒<br />
→<br />
→<br />
→<br />
e<br />
θ<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
2<br />
→<br />
= i + j−<br />
k<br />
2 2 2<br />
→<br />
e<br />
ϕ<br />
→<br />
→<br />
= −sin ϕ i + cosϕ<br />
j ⇒<br />
→<br />
e<br />
ϕ<br />
2<br />
→<br />
2<br />
→<br />
= − i + j<br />
2 2<br />
nous avons :<br />
−→ −→ −→<br />
6<br />
→<br />
6<br />
→<br />
1<br />
→<br />
EF = OF − OE = −(<br />
+ 1) i + ( −1)<br />
j+<br />
( − 2)<br />
k<br />
4 4 2<br />
−→<br />
EF<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎝<br />
−→ → → −→ → → −→ → →<br />
= ⎜ EF • er ⎟er<br />
+ ⎜ EF • eθ<br />
) ⎟eθ<br />
+ ⎜ EF • eϕ<br />
⎟eϕ<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎠<br />
En développant cette expression on abouti a :<br />
−→<br />
EF<br />
2<br />
2<br />
2<br />
4<br />
3<br />
2<br />
→ → →<br />
= ( − 2) er<br />
− e θ<br />
+ eϕ<br />
Exercice 02 :<br />
Un point matériel se déplace sur une trajectoire décrite par les équations paramétriques<br />
⎧ x = t<br />
⎪<br />
suivantes : ⎨y<br />
= 2t<br />
2 ; Déterminer :<br />
⎪<br />
⎩ z = 0<br />
→<br />
1. Le vecteur unitaire τ tangent à la trajectoire ;<br />
2. Le rayon de courbure ρ ;<br />
→<br />
3. La normale n à la trajectoire ;<br />
→<br />
4. La binormale b ;<br />
Solution :<br />
→<br />
1. Vecteur unitaire τ tangent à la trajectoire<br />
→<br />
→<br />
v<br />
τ a la même direction et le sens que le vecteur vitesse. τ = .<br />
→<br />
v<br />
→<br />
198
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
⎧ vx<br />
= 1<br />
→<br />
→ → →<br />
⎪<br />
La vitesse s’écrit : v = ⎨v<br />
y<br />
= 4t<br />
⇒ v = i + 4t<br />
j et<br />
⎪<br />
⎩ vz<br />
= 0<br />
⎧γ<br />
x<br />
= 0<br />
→<br />
⎪<br />
γ = ⎨γ<br />
y<br />
= 4 ⇒ γ = 4<br />
⎪<br />
⎩γ<br />
z<br />
= 0<br />
et<br />
→<br />
v<br />
=<br />
v<br />
v<br />
v<br />
2 2 2<br />
x<br />
+<br />
y<br />
+<br />
z<br />
= +<br />
1 16t<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
v i + 4t<br />
j 1<br />
→<br />
4t<br />
→<br />
On déduit : τ = = = i + j<br />
→<br />
2<br />
2<br />
2<br />
v 1+<br />
16t<br />
1+<br />
16t<br />
1+<br />
16t<br />
2. Le rayon de courbure ρ ;<br />
→<br />
Dans la base de Frênet , l’accélération du point matériel est égale s’écrit : γ<br />
→ →<br />
= γ<br />
N<br />
+ γ<br />
t<br />
Où<br />
γ<br />
→<br />
N<br />
et γ<br />
→<br />
t<br />
sont respectivement l’accélération normale et tangentielle.<br />
2<br />
v<br />
Or nous savons que : γ = N<br />
ρ<br />
, calculons γ<br />
N<br />
:<br />
1<br />
dv 1<br />
−1<br />
16t<br />
γ 32t<br />
1 16t<br />
et que<br />
dt 2<br />
1+<br />
16t<br />
2<br />
Comme ( ) 2<br />
t<br />
= = + =<br />
2<br />
( )<br />
2 2 2 16t<br />
16<br />
On déduit : γ<br />
N<br />
= γ − γ<br />
t<br />
= 16 − = ⇒<br />
2<br />
2<br />
1+<br />
16t<br />
1+<br />
16t<br />
2<br />
v<br />
ρ = γ<br />
N<br />
=<br />
+ 16t<br />
4<br />
1+<br />
16t<br />
2<br />
( 1+<br />
16t<br />
)<br />
3<br />
1<br />
2<br />
2<br />
→<br />
3. La normale n à la trajectoire<br />
2<br />
=<br />
4<br />
2<br />
γ<br />
N<br />
2 2 2<br />
γ = γ<br />
N<br />
+ γ t<br />
=<br />
16<br />
1+<br />
16t<br />
Soit s l’abscisse curviligne, la normale à la trajectoire est donnée par la relation :<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
d τ d τ ds d τ d τ dt ρ d τ<br />
n = = . = ρ = ρ = car<br />
dθ<br />
ds dθ<br />
ds dt ds v dt<br />
⎛ →<br />
→<br />
ρ ⎜ 4 j(1<br />
+ 16t<br />
n = ⎜<br />
v ⎜<br />
⎝<br />
d’où :<br />
2<br />
)<br />
1<br />
2<br />
− ( i + 4t<br />
1+<br />
16t<br />
→<br />
− 4t<br />
→<br />
1<br />
→<br />
n = i + j<br />
t 2<br />
t 2<br />
1+<br />
16 1+<br />
16<br />
→<br />
2<br />
→<br />
→<br />
j)16(1<br />
+ 16t<br />
2<br />
)<br />
→<br />
1<br />
−<br />
2<br />
ds<br />
v =<br />
dt<br />
⎞<br />
→ →<br />
⎟ ρ 4( −4<br />
i + j)<br />
⎟ =<br />
3<br />
⎟ v<br />
2 2<br />
⎠ (1 + 16t<br />
)<br />
=<br />
(1 + 16t<br />
2<br />
4(1 + 16t<br />
2<br />
)<br />
3<br />
2<br />
)<br />
1<br />
2<br />
→<br />
4( −4<br />
i +<br />
(1 + 16t<br />
2<br />
→<br />
j)<br />
)<br />
3<br />
2<br />
199
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
4. La binormale<br />
C’est un vecteur unitaire perpendiculaire au deux premiers, d’où :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
b = τ ∧ n<br />
⎛ 1 ⎞ ⎛ − 4t<br />
⎞<br />
⎜<br />
2<br />
⎟ ⎜<br />
2<br />
⎟<br />
⎜ (1 + 16t<br />
) ⎟ ⎜ (1 + 16t<br />
) ⎟ ⎛0⎞<br />
→<br />
⎜ 4t<br />
⎟ ⎜ 1 ⎟ ⎜ ⎟<br />
b = ⎜ ⎟ ∧ ⎜ ⎟ = ⎜0⎟<br />
;<br />
2<br />
2<br />
(1 + 16t<br />
) (1 + 16t<br />
)<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝1⎠<br />
⎜ 0 ⎟ ⎜ 0 ⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
⎛0⎞<br />
→ ⎜ ⎟<br />
b = ⎜0⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝1⎠<br />
Exercice 03 :<br />
Un mobile se déplace à vitesse scalaire constante sur une trajectoire d’écrite par des équations<br />
paramétriques en coordonnées cylindriques :<br />
z = k r<br />
r<br />
cϕ<br />
= r0<br />
e , où k , r0 , c : sont des constantes positives.<br />
1. Trouver l’équation horaire r(t)<br />
sachant qu’à : t = 0 ⇒ ϕ = 0 ;<br />
2. Déterminer le vecteur accélération et le rayon de courbure de la trajectoire.<br />
Solution :<br />
1. Equation horaire<br />
La vitesse du mobile en coordonnées cylindriques est données par :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
• →<br />
• →<br />
• →<br />
v = vr<br />
+ vϕ + vz<br />
= r er<br />
+ rϕ eϕ<br />
+ z k on déduit les composantes de la vitesse:<br />
v<br />
•<br />
•<br />
r 0<br />
.<br />
cϕ<br />
= r ϕ c .e = cϕ<br />
r<br />
•<br />
; vϕ<br />
= rϕ<br />
;<br />
v<br />
• •<br />
•<br />
z 0<br />
.<br />
cϕ<br />
= k r = kr ϕ c .e = kcϕ<br />
r<br />
on abouti finalement à :<br />
v<br />
•<br />
•<br />
•<br />
2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2<br />
= vr<br />
+ vϕ<br />
+ vz<br />
= c ϕ r + r ϕ + k c ϕ<br />
. r<br />
2<br />
2<br />
2<br />
v = r<br />
• ϕ 1+<br />
c (1 + + k ) comme la vitesse étant constante : v v = Cte<br />
2<br />
2<br />
v<br />
0<br />
= r<br />
• •<br />
dϕ<br />
ϕ 1+<br />
c (1 + + k ) , or nous savons que : ϕ =<br />
dt<br />
= 0<br />
et que :<br />
2<br />
2<br />
1+ c (1 + + k ) = K<br />
dϕ<br />
cϕ<br />
dϕ<br />
ϕ v0<br />
v<br />
0<br />
= r . K on remplace r par son expression : v0<br />
= r0e<br />
. K ⇔ dϕ<br />
= dt<br />
dt<br />
dt<br />
Kr<br />
on intègre cette expression par rapport au temps et on obtient :<br />
e c 0<br />
200
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
ϕ<br />
∫<br />
0<br />
v<br />
e c ϕ<br />
0<br />
dϕ<br />
=<br />
Kr0<br />
dt<br />
⇒<br />
1 c ϕ<br />
e<br />
c<br />
=<br />
v<br />
0<br />
Kr<br />
0<br />
t + A<br />
sachant qu’à t = 0 ϕ = 0 , alors :<br />
1<br />
= ; ce qui donne :<br />
A 1<br />
c<br />
e<br />
c<br />
v0<br />
=<br />
Kr<br />
t +<br />
c<br />
cϕ<br />
1<br />
0<br />
cv0<br />
e cϕ cϕ<br />
cv0<br />
= t + 1 ⇔ r0e<br />
= t + r0<br />
Kr<br />
K<br />
0<br />
cϕ<br />
cv0<br />
on sait que r( t)<br />
= r0e<br />
d’où : r ( t)<br />
= t + r0<br />
K<br />
2. Vecteur accélération<br />
En coordonnées cylindriques l’expression du vecteur accélération s’écrit :<br />
→<br />
•• • → •• • • →<br />
2<br />
r−<br />
rϕ<br />
) er + ( rϕ+<br />
2rϕ<br />
eϕ<br />
•• →<br />
γ = (<br />
) + z k<br />
•<br />
••<br />
on sait que : ϕ = Cte ⇒ ϕ = 0 ;<br />
•<br />
r<br />
•<br />
v = Cte ⇒ = 0<br />
l’accélération devient : γ<br />
→ • → • • →<br />
2<br />
= −rϕ<br />
er + 2rϕ<br />
eϕ<br />
→ • → • • → • → • →<br />
2<br />
cϕ<br />
2<br />
2<br />
γ = −rϕ<br />
er<br />
+ 2 r0<br />
cϕ<br />
e ϕ eϕ<br />
= −rϕ<br />
er<br />
+ 2cϕ<br />
r eϕ<br />
Le rayon de courbure se déduit à partir de la relation :<br />
ω<br />
v<br />
•<br />
= comme ω = ϕ alors :<br />
ρ<br />
•<br />
2<br />
2<br />
= v rϕ<br />
1+<br />
c (1 + + k )<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
ρ =<br />
= r 1+<br />
c (1 + + k ) ; ρ = r 1+<br />
c (1 + + k )<br />
•<br />
ϕ<br />
•<br />
ϕ<br />
Exercice 04 :<br />
Un mobile supposé ponctuel, décrit la courbe plane dont l’équation en coordonnées polaire<br />
1<br />
( ρ , θ ) est donnée par : ρ = ρ 0<br />
(1 + cosθ<br />
) où ρ<br />
0<br />
: constant désigne une longueur donnée.<br />
2<br />
1. Quelle est l’allure de la trajectoire du mobile ?<br />
a. Précisez les positions des points d’intersection de cette trajectoire avec les axes<br />
cartésiens ox et oy ;<br />
b. Exprimer en fonction de θ , l’abscisse curviligne s du mobile, compté à partir du<br />
point A qui correspond à θ = 0 ;<br />
c. Pour quel angle polaire nous avons s = ρ<br />
0<br />
, on notera par B la position correspondante<br />
201
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
d. En déduire le périmètre de cette trajectoire fermée étudiée ici.<br />
2. On choisira comme origine des temps, l’instant où le mobile est au point A . On admet<br />
que la trajectoire est décrite avec une vitesse angulaire ω constante.<br />
a. Exprimer la vitesse linéaire du mobile en fonction du temps puis en fonction de ρ ;<br />
b. Déterminer les composantes d’accélération radiale γ<br />
ρ<br />
et orthoradiale γ θ<br />
; en déduire<br />
l’accélération γ du mobile en fonction du temps ;<br />
c. En utilisant les expressions de γ ρ<br />
et γ<br />
θ<br />
, déterminer l’accélération normale γ N<br />
à<br />
l’instant t ;<br />
d. En déduire le rayon de courbure de la trajectoire en fonction de θ ; Retrouver ce<br />
résultat directement.<br />
Solution :<br />
a) Tracé de la courbe et intersection avec les axes<br />
1<br />
La trajectoire dont l’équation en coordonnées polaire s’écrit ρ = ρ 0<br />
(1 + cosθ<br />
) est une<br />
2<br />
courbe fermée appelé cardoïde. L’axe Ox est un axe de symétrie car : ρ( θ ) = ρ(<br />
−θ<br />
)<br />
Pour : θ 0 ⇒ ρ = ρ = OA ; θ = π ⇒ ρ = 0<br />
=<br />
0<br />
π ρ<br />
= ⇒ = 0<br />
π ρ<br />
0<br />
θ ρ = OC ; θ = − ⇒ ρ = = OC'<br />
2 2<br />
2 2<br />
La courbe coupe l’axe Ox en O et A avec OA = ρ<br />
0<br />
La courbe coupe l’axe Oy en C et C’ avec OC = OC ' =<br />
y<br />
C<br />
O<br />
γ<br />
θ<br />
→<br />
ρ<br />
→<br />
T<br />
ρ 0<br />
ρ 0<br />
2<br />
α<br />
M<br />
→<br />
γ θ<br />
→<br />
N<br />
β<br />
θ<br />
A<br />
x<br />
C’<br />
202
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
b) L’abscisse curviligne S en fonction de θ<br />
⎧ρ<br />
Les composantes du point M en coordonnées polaires sont : M ⎨ et les variations de<br />
⎩θ<br />
longueur par :<br />
d ρ et ρd θ . S étant l’abscisse curviligne nous aurons alors :<br />
( dS ) + θ<br />
2<br />
2<br />
2<br />
= ( dρ)<br />
( ρd<br />
) ⇒<br />
dS = +<br />
2<br />
2<br />
( dρ)<br />
( ρdθ<br />
)<br />
comme :<br />
1<br />
dρ<br />
= − ρ<br />
0<br />
sinθdθ<br />
on déduit facilement :<br />
2<br />
2<br />
2<br />
⎞ ⎛ 1<br />
⎞ 1<br />
0<br />
sinθ<br />
d θ ⎟ + ⎜ ρ<br />
0<br />
(1 + cosθ<br />
d θ ) ⎟ = ρ<br />
0<br />
θ<br />
cos<br />
⎛ 1 dS = ⎜ − ρ d<br />
+<br />
⎝ 2 ⎠ ⎝ 2<br />
⎠ 2<br />
1<br />
dS = ρ<br />
0<br />
dθ<br />
2( 1+<br />
cosθ<br />
) ; or nous savons que : 1+<br />
cosθ = 2cos<br />
2<br />
on déduit finalement :<br />
θ<br />
dS = ρ<br />
0<br />
cos dθ<br />
2<br />
on obtient l’abscisse curviligne par intégration de cette relation :<br />
θ<br />
θ<br />
S = ρ<br />
0∫<br />
cos dθ<br />
= 2ρ<br />
0<br />
sin + S<br />
2<br />
2<br />
0<br />
Les conditions initiales impose qu’au point A ( θ = 0)<br />
alors S 0<br />
( sinθ<br />
) 2<br />
+ ( 1 θ ) 2<br />
0<br />
=<br />
2 θ<br />
2<br />
La relation entre<br />
c) Angle polaire pour lequel S = ρ<br />
0<br />
S et θ devient :<br />
Soit B le point pour lequel nous avons : S AB = ρ<br />
0<br />
= ∩<br />
S<br />
θ<br />
= 2ρ<br />
0<br />
sin<br />
2<br />
θ<br />
S = ρ 0<br />
⇒ 2 sin = 1<br />
2<br />
θ 1<br />
sin =<br />
2 2<br />
⇒<br />
d) Périmètre de la trajectoire fermée<br />
π<br />
θ =<br />
3<br />
Soit P le périmètre de cette trajectoire. Le demi périmètre est donné par :<br />
P<br />
2<br />
∩<br />
= AO =<br />
O<br />
∫<br />
A<br />
ds = ρ<br />
θ = π<br />
∫<br />
0<br />
θ = 0<br />
θ<br />
cos dθ<br />
2<br />
π<br />
P θ<br />
⇒ = 2ρ<br />
0sin<br />
= 2ρ<br />
0<br />
2 2<br />
0<br />
d’où : P = 4ρ<br />
0<br />
périmètre de la cardioïde.<br />
203
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2. Vitesse linéaire instantanée du mobile<br />
a.1 Vitesse linéaire en fonction du temps<br />
L’origine des temps est prise au point A et la vitesse angulaire ω est constante donc :<br />
θ = ω t . La vitesse est donnée par la relation :<br />
v =<br />
dS<br />
dt<br />
θ dθ<br />
θ dθ<br />
ω t<br />
= ρ<br />
0<br />
cos = ρ<br />
0<br />
cos = ρ<br />
0ω<br />
cos<br />
2 dt 2 dt<br />
2<br />
dS<br />
θ<br />
v = or nous avons : dS = ρ<br />
0<br />
cos dθ<br />
dt<br />
2<br />
Ce résultat peut être obtenu d’une autre manière en déterminant les composantes radiales et<br />
orthoradiale de la vitesse. En effet nous savons que :<br />
−−→<br />
OM<br />
→<br />
= ρ u<br />
ρ<br />
La vitesse s’écrit :<br />
Avec :<br />
−−→<br />
→<br />
d OM<br />
• → • →<br />
v = = ρ u<br />
ρ<br />
+ ρθ<br />
uθ<br />
dt<br />
•<br />
1<br />
ρ = − ρ<br />
0ω<br />
sinω<br />
t<br />
2<br />
•<br />
1<br />
et ρ θ = ρ<br />
0ω(1<br />
+ cosω<br />
t)<br />
2<br />
v =<br />
1<br />
2<br />
• •<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2 2<br />
ρ + ( ρθ ) = ρ<br />
0ω<br />
sin ω t + (1 + cos ω t)<br />
1<br />
1<br />
2 ω t ω t<br />
v = ρ<br />
0ω<br />
2(1 + cosω<br />
t)<br />
= ρ<br />
0ω<br />
2(2cos ) = ρ<br />
0ω<br />
cos<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
a.2 Vitesse linéaire en fonction de ρ<br />
1<br />
L’équation de la cardioïde qui s’écrit : ρ = ρ 0<br />
(1 + cosθ<br />
) peut aussi s’écrire :<br />
2<br />
2 θ<br />
2 ω t<br />
ρ = ρ<br />
0<br />
cos = ρ<br />
0<br />
cos ⇒<br />
2 2<br />
cos<br />
2<br />
ω t ρ =<br />
2 ρ<br />
0<br />
Or l’expression de la vitesse en fonction du temps est :<br />
Ce qui donne : v = ω ρ ρ<br />
0<br />
ω t<br />
v = ρ<br />
0ω<br />
cos<br />
2<br />
⎛ ρ ⎞<br />
= ρ<br />
0ω<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎝ ρ<br />
0 ⎠<br />
1<br />
2<br />
b. Les composantes de l’accélération : radiale γ<br />
ρ<br />
et otrhoradiale γ<br />
θ<br />
nous avons :<br />
−−→<br />
OM<br />
→<br />
= ρ u<br />
ρ<br />
et<br />
−−→<br />
→<br />
d OM<br />
• → • →<br />
= = ρ u<br />
ρ<br />
+ ρθ<br />
uθ<br />
v on déduit :<br />
dt<br />
204
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
→<br />
•<br />
d v<br />
••<br />
→ • • •• →<br />
2<br />
γ = = ( ρ−<br />
ρθ ) u<br />
ρ<br />
+ (2 ρθ − ρθ<br />
) uθ<br />
dt<br />
avec<br />
••<br />
θ = 0<br />
car<br />
•<br />
θ = ω = Cte<br />
•• •<br />
1 2<br />
2 1 2<br />
1<br />
γ cos<br />
(1 cos )<br />
2<br />
ρ<br />
= ρ−<br />
ρθ = − ρ<br />
0ω<br />
ω t − ρ<br />
0ω<br />
+ ω t = − ρ<br />
0ω<br />
(1 + 2cosω<br />
t)<br />
2<br />
2<br />
2<br />
•<br />
γ θ =<br />
•<br />
⎛ 1 ⎞<br />
2 ρθ =<br />
2<br />
2⎜<br />
− ρ<br />
0ω<br />
sinω<br />
t ⎟ω<br />
= −ρ<br />
0ω<br />
sinω t<br />
⎝ 2 ⎠<br />
L’accélération γ du mobile se calcul par :<br />
γ =<br />
1 2<br />
2 2<br />
2<br />
2<br />
2 1<br />
γ<br />
ρ<br />
+ γ<br />
θ<br />
= ρ<br />
0ω<br />
(1 + 2cosω<br />
t)<br />
+ (2sinω<br />
t)<br />
= ρ<br />
0ω<br />
1+<br />
4(1 +<br />
2<br />
2<br />
cosω<br />
t)<br />
1 2<br />
2<br />
γ = ρ<br />
0ω<br />
1+<br />
8cos<br />
2<br />
ω t<br />
2<br />
c. Détermination de l’accélération normale γ<br />
N<br />
à partir des accélérations γ<br />
ρ<br />
et γ<br />
θ<br />
Nous avons : α = ( , Ox)<br />
et β = ( N,<br />
OM ) , on sait que :<br />
T →<br />
→<br />
−−→<br />
→ →<br />
π<br />
→ →<br />
π<br />
( N , T ) = et ( u<br />
ρ , u<br />
θ ) =<br />
2<br />
2<br />
→<br />
On projette les deux accélérations sur l’axe portant la normale N , on obtient :<br />
γ<br />
N<br />
= −γ<br />
cos β − γ sin β<br />
ρ<br />
θ<br />
Exprimons l’angle α et β en fonction de θ :<br />
En coordonnées polaires nous avons :<br />
x = ρ cosθ<br />
et y = ρ sinθ<br />
alors :<br />
tg α =<br />
dy<br />
dx<br />
2<br />
d(<br />
ρ sinθ<br />
) (1 + cosθ<br />
)cosθ<br />
− sin θ cosθ<br />
+ cos 2θ<br />
⎛ 3θ<br />
⎞<br />
= =<br />
= −<br />
= −cot<br />
g⎜<br />
⎟<br />
d(<br />
ρ cosθ<br />
) − (1 + cosθ<br />
)sinθ<br />
− sinθ<br />
cosθ<br />
sinθ<br />
+ sin 2θ<br />
⎝ 2 ⎠<br />
⎛ 3θ<br />
⎞ ⎛ π 3θ<br />
⎞<br />
tg α = − cot g⎜<br />
⎟ = tg⎜<br />
+ ⎟ ⇔<br />
⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 2 ⎠<br />
π 3θ<br />
α = +<br />
2 2<br />
π<br />
θ<br />
nous avons aussi géométriquement : α = θ + β + on déduit : β =<br />
2<br />
2<br />
On remplace β dans l’expression de<br />
γ<br />
N<br />
= −γ<br />
cos β − γ sin β =<br />
γ<br />
N<br />
, ce qui donne :<br />
1 2<br />
θ<br />
ρ<br />
0ω<br />
(1 + 2cosθ<br />
)cos<br />
2<br />
2<br />
ρ θ<br />
+<br />
2 θ<br />
ρ<br />
0ω<br />
sinθ<br />
sin<br />
2<br />
3 2 θ 3 ω t<br />
γ<br />
N<br />
= ρ cos<br />
2<br />
0ω<br />
= ρ<br />
0ω<br />
cos<br />
2 2 2 2<br />
205
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
c. Rayon de courbure<br />
On sait que dans les mouvements curvilignes :<br />
Ce qui donne :<br />
2<br />
v<br />
R =<br />
γ<br />
N<br />
2 2 2 ω t<br />
ρ<br />
0ω<br />
cos<br />
=<br />
2<br />
3 2 ω t<br />
ρ<br />
0ω<br />
cos<br />
2 2<br />
2<br />
v<br />
γ<br />
N<br />
= ⇒<br />
R<br />
2 θ<br />
= ρ<br />
0<br />
cos<br />
3 2<br />
2 θ<br />
R = ρ<br />
0<br />
cos<br />
3 2<br />
2<br />
v<br />
R = γ<br />
On peut aussi déduire le rayon de courbure d’une autre manière en sachant que :<br />
N<br />
θ<br />
S = 2ρ<br />
0<br />
sin et<br />
2<br />
α = θ + β +<br />
π<br />
2<br />
dS<br />
R = =<br />
dα<br />
θ<br />
ρ cos dθ<br />
2 2<br />
= ρ<br />
0<br />
cos<br />
3 3 2<br />
dθ<br />
2<br />
0<br />
θ<br />
206
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 05 :<br />
Dans un repère orthonormé<br />
R( O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
la position d’un point M est déterminé par les<br />
ω t<br />
ω t<br />
équations paramétriques suivantes : x = sinω<br />
t e ; y = cosω<br />
t e ;<br />
z = e<br />
t<br />
2 ω<br />
Déterminer :<br />
1. Les modules de la vitesse et de l’accélération du point M ;<br />
2. Le rayon de courbure en fonction de z ;<br />
3. Soit H la projection orthogonale du point M sur le plan xoy , quelle est l’équation polaire<br />
du point H .<br />
Solution :<br />
1. Vitesse et accélération du point M<br />
→<br />
V<br />
=<br />
−−→<br />
d OM<br />
dt<br />
⎧V<br />
⎪<br />
= ⎨V<br />
⎪<br />
⎩<br />
V<br />
x<br />
y<br />
z<br />
= ω e<br />
= ω e<br />
ω t<br />
ω t<br />
= 2ω<br />
e<br />
(sinω<br />
t + cosω<br />
t)<br />
(cosω<br />
t − sinω<br />
t)<br />
ω t<br />
; on déduit le module de la vitesse par :<br />
V<br />
=<br />
V<br />
2<br />
x<br />
+ V<br />
2<br />
y<br />
+ V<br />
2<br />
z<br />
= ω 6.<br />
e<br />
ω t<br />
L’accélération est donnée par :<br />
→<br />
γ =<br />
→<br />
d V<br />
dt<br />
2<br />
⎧ γ<br />
x<br />
= 2ω<br />
e<br />
⎪<br />
2<br />
= ⎨γ<br />
y<br />
= −2ω<br />
e<br />
⎪<br />
2<br />
⎩γ<br />
z<br />
= 2ω<br />
e<br />
ω t<br />
ω t<br />
ω t<br />
cosω<br />
t<br />
sinω<br />
t<br />
; on déduit le module de l’accélération par :<br />
γ = γ + γ + γ = 2 2ω<br />
.<br />
2<br />
x<br />
2<br />
y<br />
2<br />
z<br />
2 t<br />
e ω<br />
2. Rayon de courbure en fonction de z<br />
Dans la base de Frênet, l’accélération tangentielle est égale à la dérivée du module de la<br />
vitesse, ce qui donne :<br />
dV<br />
γ<br />
t<br />
= = ω<br />
2 . 6.<br />
e<br />
dt<br />
2 2 2<br />
L’accélération normale se déduit à partir de la relation : γ = γ t<br />
+ γ<br />
ω t<br />
2 ω t<br />
2<br />
2 ω t<br />
2<br />
2 ω t<br />
( 2 2ω<br />
. e ) − ( ω . 6. e ) 2( ω . e ) 2<br />
2 2 2<br />
γ<br />
N<br />
= γ − γ<br />
t<br />
=<br />
=<br />
γ = ω 2.<br />
2<br />
N<br />
e ω t<br />
D’autre part nous avons une relation entre le rayon de courbure et l’accélération normale qui<br />
N<br />
206
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
est donnée par :<br />
ρ<br />
V<br />
γ<br />
2<br />
( ) ω t<br />
= , ce qui donne :<br />
N<br />
ω t<br />
ω 6. e<br />
ρ =<br />
= 3 2.<br />
e<br />
2 ω t<br />
ω 2. e<br />
2<br />
Or nous avons :<br />
z = 2. e<br />
ω t<br />
⇒<br />
ω<br />
e t =<br />
z<br />
2<br />
3 2<br />
, ce qui conduit à : ρ = . z<br />
2<br />
3. Equation polaire du point H .<br />
H appartient au plan (xOy) ces coordonnées sont données par les équations paramétriques :<br />
x<br />
ω t<br />
= sinω t e ;<br />
y = cosω<br />
t e<br />
ω t<br />
−−→<br />
⎧x<br />
= r cosθ<br />
Les coordonnées polaires du point H sont ( ρ , θ ) tel que : OH = ⎨<br />
avec<br />
⎩ y = r sinθ<br />
−−→ → →<br />
2 2<br />
= x y et OH = r ur<br />
où u r<br />
vecteur unitaire.<br />
r +<br />
ω t<br />
ω t ω t<br />
Nous avons ainsi : r = ( sin ω t e ) + ( cosω<br />
t e ) = e<br />
2<br />
ω t<br />
ω t<br />
x sinω<br />
t e<br />
y cosω<br />
t e<br />
cos θ = = = sinω<br />
t et sin θ = = = cosω<br />
t<br />
ω t<br />
ω t<br />
r e<br />
r e<br />
⎧cosθ<br />
= sinω<br />
t<br />
π<br />
π<br />
⎨<br />
par conséquent ces deux équations nous donne : θ = − ω t ⇔ ω t = −θ<br />
⎩sinθ<br />
= cosω<br />
t<br />
2 2<br />
2<br />
ce qui nous ramène à l’équation polaire du point H :<br />
π −θ<br />
r = e<br />
2<br />
Exercice 06 :<br />
Soit M un point repéré dans le plan (xoy) par les équations paramétriques suivantes :<br />
x = 4t<br />
2 −1 et y = 2 2.<br />
t Déterminer :<br />
1. Le vecteur vitesse du point M en fonction du temps ainsi que son module ;<br />
2. Le vecteur accélération du point M en fonction du temps ainsi que son module ; En<br />
déduire les accélérations tangentielle et normale ;<br />
3. Le rayon de courbure de la trajectoire ;<br />
4. On considère que le repère cartésien et le repère polaire ont la même origine et que l’angle<br />
θ est repéré par rapport à l’axe ox. Calculer les vitesses, radiale, orthoradiale et angulaire.<br />
207
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
1. Vitesse et accélération du point M<br />
−−→<br />
→<br />
d OM ⎧Vx<br />
= 8t<br />
V = = ⎨<br />
; on déduit le module de la vitesse par :<br />
dt ⎩V<br />
y<br />
= 2 2<br />
V<br />
2 2<br />
= V + V = 2 2. 8t<br />
x<br />
y<br />
2<br />
+ 1<br />
2. Accélération du point γ M ainsi que γ<br />
t<br />
et<br />
γ<br />
N<br />
→<br />
→<br />
d V ⎧γ<br />
x<br />
= 8<br />
2 2<br />
L’accélération est donnée par : γ = = ⎨ ; d’où : γ = γ<br />
x<br />
+ γ<br />
y<br />
= 8<br />
dt ⎩γ<br />
y<br />
= 0<br />
2 2 2<br />
Dans la base de Frênet nous avons : γ = γ t<br />
+ γ avec :<br />
γ<br />
t<br />
= 2<br />
⎛<br />
d⎜<br />
2<br />
⎝<br />
2<br />
( 8t<br />
+ 1)<br />
dt<br />
1<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
comme nous avons : γ<br />
= 2<br />
= γ −<br />
1<br />
2. 16t<br />
2<br />
2 2<br />
N<br />
γ t<br />
2<br />
( 8t<br />
+ 1)<br />
1<br />
−<br />
2<br />
=<br />
N<br />
16t<br />
8t<br />
2<br />
2<br />
+ 1<br />
dV<br />
γ<br />
t<br />
=<br />
dt<br />
2<br />
2<br />
⎛ 16 2 ⎞<br />
2 2<br />
512 64<br />
8 ⎜<br />
t<br />
⎟<br />
t<br />
γ<br />
N<br />
= −<br />
= 64 − =<br />
2<br />
⇔<br />
2<br />
2<br />
⎝ 8t<br />
+ 1 ⎠ 8t<br />
+ 1 8t<br />
+ 1<br />
γ<br />
N<br />
=<br />
8t<br />
8<br />
2 +<br />
1<br />
3. Rayon de courbure de la trajectoire<br />
il est donné par la relation :<br />
V<br />
ρ =<br />
γ<br />
2<br />
N<br />
8. 8t<br />
d’où : ρ =<br />
2<br />
2<br />
( + 1) 8t<br />
+ 1 2<br />
= ( 8t<br />
+ 1)<br />
8<br />
3<br />
2<br />
4. Vitesses : radiale, orthoradiale et angulaire<br />
a. Vitesse radiale<br />
1<br />
2<br />
V r<br />
V r<br />
2 2<br />
dr d( x + y )<br />
2 2 2<br />
= =<br />
car r = ( x + y )<br />
dt dt<br />
d<br />
⎛<br />
⎜<br />
=<br />
⎝<br />
2<br />
( 4t<br />
−1)<br />
dt<br />
2<br />
+ 8t<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
d<br />
=<br />
4<br />
( ) 1<br />
16t<br />
+ 1 2 1 3 4<br />
= 64t<br />
( 16t<br />
+ 1)<br />
dt<br />
2<br />
1<br />
1<br />
−<br />
2<br />
=<br />
32t<br />
16t<br />
4<br />
3<br />
+ 1<br />
208
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
b. Vitesse orthoradiale<br />
2<br />
2 2<br />
Nous avons la relation : V = V ⇒ V = V −<br />
2 2<br />
r<br />
+ V θ<br />
θ<br />
2<br />
V r<br />
2<br />
V θ<br />
2<br />
3<br />
6 2 4<br />
⎛ 32 ⎞<br />
2<br />
2 1024 64 128 8<br />
8.<br />
( 8 1)<br />
⎜<br />
t<br />
⎟<br />
t t + t +<br />
= t + −<br />
= 64 + 8 − =<br />
4<br />
t<br />
4<br />
4<br />
⎝ 16t<br />
+ 1 ⎠<br />
16t<br />
+ 1 16t<br />
+ 1<br />
V θ<br />
= ±<br />
2<br />
2<br />
4t<br />
2<br />
16t<br />
+ 1<br />
4<br />
+ 1<br />
on voit dans cette expression que la vitesse radiale est continue et ne s’annule jamais alors elle<br />
ne change par de signe. En coordonnées polaires nous avons :<br />
⎧sinθ<br />
= 0<br />
nous avons ainsi pour t = 0 ⇒ ⎨<br />
d’où : θ = π<br />
⎩cosθ<br />
= −1<br />
au même instant t = 0 nous avons :<br />
⎧ Vx<br />
= 0<br />
⎨<br />
⎩V<br />
y<br />
= 2 2<br />
Ces deux conditions nous conduisent à la situation suivante :<br />
x<br />
cos θ = et<br />
r<br />
sin θ =<br />
y<br />
r<br />
Pour t = 0 ⇒ θ = π<br />
V y = V θ<br />
y<br />
→<br />
e<br />
θ<br />
x<br />
On voit que pour<br />
t = 0<br />
la vitesse radial V est négative et comme elle ne change pas, elle le<br />
θ<br />
restera et par conséquent elle aura pour expression :<br />
c. Vitesse angulaire<br />
V<br />
θ<br />
= − 2<br />
2<br />
4t<br />
2<br />
16t<br />
+ 1<br />
4<br />
+ 1<br />
dθ<br />
Nous savons que : Vθ = r ⇒<br />
dt<br />
dθ<br />
V<br />
=<br />
dt r<br />
θ<br />
=<br />
− 2<br />
2<br />
16t<br />
4t<br />
16t<br />
4<br />
2<br />
+ 1<br />
+ 1<br />
4<br />
+ 1<br />
= − 2<br />
4t<br />
2<br />
16t<br />
2<br />
4<br />
+ 1<br />
+ 1<br />
209
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 07 :<br />
Soit R O,<br />
i , j,<br />
k ) un repère orthonormé direct fixe. Soit deux vecteurs et tel que :<br />
0<br />
(<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
u<br />
→<br />
v<br />
→<br />
→<br />
→<br />
u = cos ψ i + sinψ<br />
j<br />
,<br />
→<br />
v =<br />
→<br />
d u<br />
dψ<br />
→<br />
→<br />
→ → →<br />
d v<br />
1. Vérifier que = − u et que la base formé par les vecteurs unitaires ( u,<br />
v,<br />
k)<br />
est<br />
dψ<br />
orthogonale directe ;<br />
2. Soit ( C ) une courbe décrite par le point M dont l’équation paramétrique est donnée par :<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
OM = a u+<br />
bψ k où a et b sont des constantes et ψ le paramètre de représentation.<br />
a) Calculer<br />
−−→<br />
d OM<br />
dψ<br />
→ →<br />
k<br />
en fonction de ( a , b , v , ) ;<br />
b) En déduire<br />
ds<br />
dψ<br />
en fonction de<br />
c +<br />
2 2<br />
= a b , s étant l’abscisse curviligne ;<br />
−−→<br />
c) Déterminer<br />
→ d OM/<br />
dψ<br />
τ = , vecteur unitaire tangent à la courbe au point M en<br />
−−→<br />
d OM/<br />
dψ<br />
→ →<br />
k<br />
fonction de ( a , b , v , ) ;<br />
d) En déduire que l’angle α compris entre les vecteurs τ et est constant<br />
→<br />
→<br />
k<br />
3. Exprimer<br />
d → τ<br />
ds<br />
→ →<br />
1<br />
en fonction de α , c et u . En déduire n ainsi que la courbure ;<br />
R<br />
→<br />
4. Déterminer la binormale b au point M . En déduire l’expression de la torsion<br />
1 sachant<br />
T<br />
que :<br />
→<br />
d b<br />
ds<br />
→<br />
n<br />
= , vérifier que le rapport<br />
T<br />
T<br />
R<br />
est constant.<br />
Solution :<br />
→<br />
1. Nous avons : u = cosψ i + sinψ<br />
j , alors :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
d u<br />
→<br />
→<br />
v = = −sin<br />
ψ i + cosψ<br />
j<br />
dψ<br />
210
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
d’où :<br />
→<br />
d v<br />
→<br />
→ →<br />
= − cos ψ i − sinψ<br />
j = − u<br />
dψ<br />
→ → →<br />
(<br />
0<br />
La base u,<br />
v,<br />
k ) est directe si :<br />
→ → →<br />
u∧ v = k0<br />
→ → →<br />
∧ v = k0<br />
u ⇔<br />
⎛cosψ<br />
⎞ ⎛ sinψ<br />
⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎜ sinψ<br />
⎟ ∧ ⎜cosψ<br />
⎟ = (cos<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝ 0 ⎠<br />
2<br />
ψ + sin<br />
2<br />
ψ ) k<br />
→<br />
0 =<br />
→<br />
k<br />
0<br />
2. Calcul de<br />
−−→<br />
d OM<br />
dψ<br />
→ →<br />
k<br />
en fonction de ( a , b , v , ) sachant que :<br />
−−→<br />
OM<br />
→<br />
→<br />
= a u+<br />
bψ<br />
k<br />
a)<br />
−−→<br />
d OM<br />
dψ<br />
→<br />
d u<br />
→<br />
= a + b k0<br />
dψ<br />
b)<br />
−−→<br />
ds d OM<br />
= = a<br />
2<br />
dψ<br />
dψ<br />
+ b<br />
2<br />
= c<br />
2<br />
c) on déduit : τ =<br />
V ( M )<br />
V ( M )<br />
−−→<br />
d OM<br />
dt<br />
d OM<br />
dt<br />
−−→<br />
d OM dψ<br />
.<br />
dψ<br />
dt<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
+<br />
→<br />
=<br />
−−→<br />
=<br />
−−→<br />
d OM dψ<br />
.<br />
dψ<br />
dt<br />
d OM/<br />
dψ<br />
a v<br />
=<br />
−−→<br />
d OM/<br />
dψ<br />
c<br />
b k<br />
→<br />
0<br />
→ → →<br />
→ 2 2<br />
a b<br />
a + b c<br />
τ = v+<br />
k0<br />
⇒ τ = = = 1<br />
c c<br />
c c<br />
→ →<br />
(<br />
0<br />
d) α = τ , k ) constant<br />
→<br />
pour le montrer on utilise le produit scalaire : τ •<br />
comme b et c sont des constantes alors α est constant.<br />
On peut exprimer le vecteur unitaire sous la forme : τ<br />
→ → →<br />
b<br />
k<br />
0<br />
= τ k0<br />
cosα<br />
⇔ = cosα<br />
c<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= sinα v+<br />
cosα<br />
k0<br />
3. Expression de<br />
d → τ<br />
ds<br />
→<br />
en fonction de α , c et u .<br />
→<br />
→<br />
d τ d τ dψ<br />
= or nous avons :<br />
ds dψ<br />
ds<br />
ds 1<br />
=<br />
dψ<br />
c<br />
⇒<br />
dψ<br />
= c<br />
ds<br />
et<br />
→<br />
d τ<br />
→<br />
= −sin<br />
α u<br />
dψ<br />
211
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
d τ sinα<br />
→<br />
on obtient ainsi : = − u<br />
ds c<br />
→<br />
Détermination de la normale<br />
→<br />
n<br />
ainsi que la courbure<br />
1 ;<br />
R<br />
Nous savons que :<br />
On déduit que :<br />
→<br />
d τ<br />
=<br />
ds<br />
→<br />
n<br />
R<br />
⎧ 1 sinα<br />
⎪ =<br />
⎨R<br />
c<br />
→ →<br />
⎪<br />
⎩ n = − u<br />
et par analogie avec l’expression précédente :<br />
→<br />
d τ sinα<br />
→<br />
= − u<br />
ds c<br />
on le vérifie facilement pat le produit scalaire : τ • n = 0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
⎛<br />
⎞<br />
En effet : ⎜sinα v+<br />
cosα k0 ⎟ • n = 0<br />
⎝<br />
⎠<br />
→<br />
4. La binormale b au point M<br />
→<br />
→<br />
→<br />
b = τ ∧ n ⇔<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝cosα<br />
⎠<br />
⎛−1⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 0 ⎠<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ sinα<br />
⎠<br />
→<br />
→<br />
→<br />
b = sinα<br />
∧ 0 = − cosα<br />
= −cosα<br />
v+<br />
sinα<br />
k0<br />
Expression de la torsion sachant que :<br />
→<br />
d b<br />
ds<br />
→<br />
n<br />
=<br />
T<br />
→<br />
d b<br />
ds<br />
→<br />
→<br />
n u<br />
= = − or nous avons :<br />
T T<br />
→<br />
d b<br />
ds<br />
→<br />
d b dψ<br />
cosα<br />
→<br />
= . = u les deux expressions nous<br />
dψ<br />
ds c<br />
donnent :<br />
1 cosα<br />
= −<br />
T c<br />
De là on vérifie facilement que le rapport :<br />
T<br />
R<br />
=<br />
− c / cosα<br />
= −tgα<br />
c / sinα<br />
Exercice 08 :<br />
Un bateau schématisé par un point mobile M se déplace à une vitesse constante<br />
rapport à l’eau d’une rivière. L’eau de la rivière se déplace à une vitesse<br />
→<br />
=<br />
→<br />
→ → →<br />
(<br />
rapport aux berges tel U U i , avec R O , i , j , k ) un repère fixe.<br />
Le mouvement du point M est tel que à chaque instant le vecteur vitesse<br />
vecteur déplacement<br />
−−→<br />
OM<br />
. On posera<br />
−−→<br />
OM<br />
→<br />
= r er<br />
→<br />
U<br />
→<br />
V<br />
→<br />
V<br />
par<br />
constante par<br />
est orthogonale au<br />
212
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
1. Donner l’expression de la vitesse du point M en fonction de U et V dans R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
;<br />
a) Exprimer les composantes de la vitesse dans la base ( M , e r<br />
, e θ<br />
, k)<br />
;<br />
b) Donner l’expression générale de la vitesse en coordonnées polaires.<br />
2. Déterminer l’équation de la trajectoire du bateau par rapport au repère R(<br />
O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
en<br />
coordonnées polaires r = f (θ ) , sachant qu’à t = 0 : θ = 0 et r = r0<br />
;<br />
p<br />
a) Mettre l’expression de la trajectoire sous la forme : r = ;<br />
1−<br />
k sinθ<br />
b) Préciser les expressions de p et k , puis donner la nature de la trajectoire.<br />
3. Déterminer l’accélération du bateau dans la base ( M , e r<br />
, e θ<br />
, k)<br />
a) Donner l’expression générale de l’accélération en coordonnées polaires ;<br />
2 dθ<br />
b) En déduire que l’expression r est une constante et donner sa valeur<br />
dt<br />
c) Calculer la durée de révolution du bateau autour du point O. on donne :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∫<br />
2π<br />
dθ<br />
1−<br />
k sinθ<br />
)<br />
0 2<br />
=<br />
2π<br />
(1 − k<br />
2<br />
)<br />
3<br />
2<br />
Exercice 09 :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Soit R<br />
0<br />
( O,<br />
i , j,<br />
k)<br />
un repère orthonormé direct fixe et R ( M , e , e , e s r ψ θ<br />
) un repère local<br />
sphérique lié au point M.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
e r<br />
−→<br />
→ →<br />
= OP er<br />
= r er<br />
OP .<br />
u = cos ψ i + sinψ<br />
j , = sinθ u+<br />
cosθ<br />
k ,<br />
→<br />
→<br />
→<br />
e<br />
→<br />
= e ψ<br />
d r et e<br />
dψ<br />
→<br />
ψ<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= cosθ<br />
u−<br />
sinθ<br />
k<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Exprimer dans le repère R ( M , e , e , e s r ψ θ<br />
) , la vitesse et l’accélération du point M.<br />
→<br />
e ϕ<br />
→<br />
e r<br />
→<br />
z<br />
o<br />
θ<br />
r<br />
→<br />
e θ<br />
→<br />
y<br />
→<br />
x<br />
ψ<br />
→<br />
e θ<br />
→<br />
u<br />
213
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 10 :<br />
Les coordonnées d’un point M , en mouvement dans un plan sont données par :<br />
x = a( 1+<br />
cos t)<br />
et y = bsin<br />
t , t : représente le temps , a et b sont deux constantes positives.<br />
1. Donner l’équation de la trajectoire du point M , quelle est sa nature ?<br />
2. Exprimer la vitesse du point M. Existe-t-il des instants tel que le module V de la vitesse<br />
soit égale à une grandeur λ f 0 donnée ? discuter les solutions.<br />
3. Le vecteur vitesse peut-il être normal au vecteur accélération ?<br />
4. Représenter graphiquement ces vecteurs sur la courbe.<br />
Solution :<br />
1. Equation et nature de la trajectoire<br />
L’équation cartésienne de la trajectoire s’obtient en éliminant le paramètre temps des<br />
équations paramétriques.<br />
x<br />
y<br />
2 2<br />
− 1 = cost<br />
et = sin t en utilisant la règle trigonométrique : cos t + sin t = 1 on<br />
a<br />
b<br />
aboutit à :<br />
⎛ x<br />
⎜<br />
⎝ a<br />
−<br />
2 2<br />
⎞ y<br />
1⎟<br />
+<br />
2<br />
⎠<br />
b<br />
= 1<br />
2<br />
( x − a)<br />
y<br />
⇒ + = 1<br />
2 2<br />
a b<br />
on pose : x − a = X et y = Y l’expression devient :<br />
X<br />
a<br />
2<br />
2<br />
+ b<br />
Y<br />
2<br />
2<br />
= 1<br />
axe a et de demi petit axe b .<br />
2<br />
c’est l’équation décentrée suivant l’axe (Ox) , d’une ellipse de demi grand<br />
2. Vitesse du point M<br />
Nous avons :<br />
→<br />
V<br />
=<br />
−−→<br />
d OM<br />
dt<br />
⎧<br />
⎪V<br />
x<br />
= ⎨<br />
⎪ V<br />
⎩<br />
y<br />
dx<br />
= = −asin<br />
t<br />
dt<br />
dy<br />
= = bcost<br />
dt<br />
D’où : V<br />
2<br />
= V<br />
2<br />
x<br />
+ V<br />
2<br />
y<br />
= a<br />
2<br />
sin<br />
2<br />
t + b<br />
2<br />
cos<br />
2<br />
t = b<br />
2<br />
+ ( a<br />
2<br />
2<br />
− b )sin<br />
2<br />
t<br />
V<br />
=<br />
b<br />
2<br />
2 2<br />
+ ( a − b )sin<br />
2<br />
t<br />
On doit chercher s’il existe un instant t tel que :<br />
V = λ avec λ f 0<br />
214
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
b 2<br />
2 2<br />
2 2 2 2 2 λ −<br />
λ = b + ( a − b )sin t ⇔ = sin t<br />
2 2<br />
a − b<br />
sin t = ±<br />
2<br />
λ − b<br />
2<br />
a − b<br />
2<br />
2<br />
or on sait que la valeur du sinus est comprise entre 0 et 1, cela revient à discuter la double<br />
2 2<br />
λ − b<br />
inégalité : 0 ≤ ≤ 1<br />
2 2<br />
a − b<br />
2 2<br />
λ − b ≥ 0 ⇒ λ ≥ b<br />
2 2 2 2<br />
λ − b ≤ a − b ⇒ λ ≤ a<br />
qui se traduit par deux équations :<br />
Il existe bien des instants t tel que V = λ a condition que : a ≤ λ ≤ b<br />
3. Les vecteurs vitesse V et accélération γ :<br />
→<br />
→ →<br />
→ →<br />
S’ils sont perpendiculaires ( V ⊥ γ ) alors leur produit scalaire est nul. V • γ = 0<br />
→<br />
Calculons le vecteurs accélération : γ =<br />
→<br />
→<br />
d V<br />
dt<br />
⎧γ<br />
x<br />
= −a<br />
cost<br />
= ⎨<br />
⎩γ<br />
y<br />
= −bsin<br />
t<br />
→<br />
→<br />
Si V • γ = 0 ⇒ V γ V γ = 0<br />
2<br />
2<br />
⇔ a sin t cos t − b sin t cos t = 0<br />
x<br />
x +<br />
y y<br />
2 2<br />
2 2<br />
( a − b )sin t cost<br />
= 0 qui s’écrit aussi sous la forme : ( a − b )sin 2t<br />
= 0<br />
comme nous avons :<br />
a f b alors sin 2t = 0 ce qui se traduit par :<br />
2 t = mπ ⇒<br />
π<br />
t = m avec m ∈ IN<br />
2<br />
4. Représentation graphique des vecteurs<br />
Représentons l’hodographe du mouvement et traçons sur la courbe les deux vecteurs dans les<br />
positions où ils sont perpendiculaires.<br />
⎛<br />
En effet nous avons : ⎜<br />
⎝ a<br />
V 2<br />
⎞ x 2<br />
⎟<br />
⎠<br />
= sin<br />
t<br />
et<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎝<br />
2<br />
V y ⎞<br />
2<br />
b<br />
⎟<br />
⎠<br />
= cos<br />
t<br />
2<br />
⎛V<br />
⎞ ⎛V<br />
⎞<br />
x<br />
yx<br />
Ce qui donne : ⎜ ⎟ +<br />
⎜<br />
⎟ = 1<br />
⎝ a ⎠ ⎝ b ⎠<br />
respectivement sur l’axe Ox et Oy.<br />
2<br />
c’est l’équation d’une ellipse de demi axe a et b<br />
215
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
On trace deux cercles : l’un de rayon<br />
λ = a et l’autre de rayon λ = b car a ≤ λ ≤ b<br />
Et l’intersection de ces deux cercles avec l’hodographe des vitesses donne les quatre points<br />
donc les instants où la vitesse est perpendiculaire à l’accélération.<br />
→ →<br />
On voit bien que V ⊥ γ aux points A , A sur l’axe (Ox) et B , B<br />
1 2<br />
1 2<br />
sur l’axe (Oy) qui<br />
correspondent aux instants<br />
π<br />
t = m avec m ∈ IN<br />
2<br />
V y<br />
B 1<br />
→<br />
V<br />
A<br />
2<br />
a<br />
b<br />
→<br />
γ<br />
A 1<br />
V x<br />
B 2<br />
216
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CHAPITRE VI<br />
CINEMATIQUE DU SOLIDE<br />
216
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CINEMATIQUE DU SOLIDE<br />
1. Généralités<br />
Un solide est dit indéformable, si la distance entre deux points de celui-ci reste constante et<br />
= −→<br />
invariable au court du temps : d [ A(<br />
t),<br />
B(<br />
t)<br />
] AB = Cte<br />
La mécanique des solides permet d’étudier le comportement des solides et déterminer tous les<br />
paramètres cinématiques de l’ensemble de ses points quel que soit la nature du mouvement.<br />
La notion de torseur, déjà étudiée dans les chapitres précédents, sera très utile dans la<br />
cinématique des solides. La formule de transport permet, connaissant la vitesse d’un seul<br />
point du solide de déduire facilement la vitesse de tous les points du solide.<br />
L’objectif de la cinématique du solide est de connaître la position, la vitesse et l’accélération<br />
de tous les points du solide par rapport à un repère déterminé.<br />
2. Notion de Repères et Référentiels<br />
Pour étudier le mouvement d’un solide où d’un système composé de plusieurs solides, il est<br />
indispensable de repérer la position de chaque point ainsi que les vecteurs cinématiques dans<br />
l’espace et le temps.<br />
Nous considérons en cinématique classique que l’espace est Euclidien, à trois dimensions et le<br />
temps est absolu et indépendant de l’observateur.<br />
Afin de repérer le solide, l’observateur va définir :<br />
- Un repère d’espace défini par une origine O et une base orthonormée x , y , z ) . Le<br />
trièdre<br />
→<br />
→<br />
→<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
→ → →<br />
(<br />
0 0 0<br />
défini complètement le repère d’espace dans lequel peuvent être<br />
exprimées les coordonnées de tous les points du solide.<br />
- Un repère de temps (appelé aussi échelle de temps) avec une origine et une unité de<br />
temps. Dans le système MKSA l’unité de temps est la seconde.<br />
Ces deux repères définissent un repère espace-temps appelé en cinématique classique<br />
référentiel ou simplement repère. Nous choisissons ensuite un point<br />
O s<br />
quelconque du<br />
217
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
solide. La position de ce point est donnée à chaque instant par le vecteur position<br />
−−→<br />
OO s<br />
→ → →<br />
(<br />
0 0 0<br />
exprimé dans le repère R O,<br />
x , y , z ) . Les coordonnées du point O dépendent du temps et<br />
s<br />
permettent de connaître à chaque instant la position du repère<br />
R(<br />
O<br />
s<br />
→<br />
, x<br />
s<br />
→<br />
, y<br />
s<br />
→<br />
, z<br />
s<br />
)<br />
lié au solide.<br />
→ → →<br />
(<br />
0 0 0<br />
Le passage du repère R O,<br />
x , y , z ) vers le repère R(<br />
O , x , y , z ) lié au solide est<br />
s<br />
→<br />
s<br />
→<br />
s<br />
→<br />
s<br />
déterminé par la matrice de passage qui exprime les vecteurs unitaires<br />
→<br />
→<br />
→<br />
( x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
en<br />
fonction des vecteurs unitaires<br />
→<br />
( x<br />
s<br />
→<br />
, y<br />
s<br />
→<br />
, z<br />
s<br />
) . Cette matrice de passage s’exprime en fonction<br />
des angles d’Euler que nous verrons dans ce chapitre. L’orientation du repère lié au solide est<br />
indépendante du choix du point .<br />
O s<br />
L’ensemble des paramètres de translation et de rotation constituent les paramètres de situation<br />
ou degrés de liberté du solide dans l’espace par rapport au repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
) . Si le<br />
nombre de paramètres est égale à 6 (3 rotations et 3 translations) on dit que le solide est<br />
complètement libre dans<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
) . Si le nombre de paramètres est inférieur à 6 , on dit<br />
que le solide est lié ou soumis à des liaisons, certains paramètres ne varient pas au cours du<br />
temps.<br />
3. Systèmes de notations<br />
Dans l’étude de la cinématique nous adoptons la notation suivante :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Soit R ( O , x , y , z ) un repère lié à l’observateur et P un point du solide, nous avons :<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
−−→<br />
Oi P : vecteur position du point P par rapport au repère R i<br />
;<br />
−−→<br />
−→<br />
i<br />
i d Oi<br />
P<br />
V ( P)<br />
= : vitesse du point P par rapport au repère R i<br />
;<br />
dt<br />
−→<br />
−→<br />
i<br />
i d Vi<br />
( P)<br />
γ ( P)<br />
= : accélération du point P par rapport au repère R i<br />
;<br />
dt<br />
Les paramètres cinématiques sont toujours liés au repère.<br />
218
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
4. Repère d’étude, lié à l’observateur et repère de projection<br />
Les paramètres cinématiques (vecteurs vitesse et accélération) des points du solide sont<br />
étudiés dans un repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( O , x , y , z ) lié à l’observateur. Ce repère est appelé repère d’étude.<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
−→<br />
(<br />
Les composantes des vecteurs vitesses V i i<br />
P)<br />
et accélération γ ( P)<br />
étant mesurés et définis<br />
→<br />
dans le repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( O , x , y , z )<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
nous pouvons connaître leurs composantes dans n’importe<br />
quel repère de l’espace<br />
R ( O<br />
p<br />
p<br />
→<br />
, x<br />
p<br />
→<br />
, y<br />
p<br />
→<br />
, z<br />
p<br />
)<br />
que l’on appellera repère de projection.<br />
Le choix de ce repère de projection permet d’exprimer les paramètres cinématiques avec des<br />
expressions mathématiques plus simples. Il est souvent intéressant de choisir le repère de<br />
projection différent du repère d'étude afin de simplifier et réduire les calculs. Le repère de<br />
projection étant mobile par rapport au repère d’étude, il faut faire attention lors des<br />
dérivations que les vecteurs unitaires du repère de projection changent de direction donc il<br />
faut en tenir compte.<br />
5. Mouvement d’un repère R par rapport à un repère R lié à l’observateur<br />
→<br />
→<br />
k<br />
Soit R ( O , x , y , z ) un repère lié à l’observateur et R ( O , x , y , z ) un repère en<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
mouvement quelconque par rapport au premier. Tout point de l’espace peut être repéré<br />
totalement dans R et déduire ses composantes dans R où inversement en connaissant le<br />
mouvement de R par rapport à R .<br />
k<br />
→<br />
k<br />
i<br />
Le mouvement du repère R k<br />
est totalement connu si :<br />
- La position de son centre O est totalement connu dans R ;<br />
k<br />
i<br />
- L’orientation des axes de R est connu par rapport à ceux de R .<br />
-<br />
5.1. Repérage du centre Ok<br />
du repère<br />
k<br />
Rk<br />
Le repérage du point O centre du repère R est déterminé par les composantes du vecteur<br />
O<br />
−−→<br />
i O k<br />
suivantes :<br />
k<br />
k<br />
liant les deux centres des repères dans R ou R , ceci se traduit par les relations<br />
i<br />
k<br />
i<br />
k<br />
i<br />
i<br />
k<br />
i<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
219
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
−−→ →<br />
⎧<br />
⎪<br />
OiOk<br />
• xi<br />
−−→ →<br />
Dans R i<br />
: ⎨OiOk<br />
• yi<br />
; Dans R k<br />
:<br />
⎪<br />
−−→ →<br />
•<br />
⎪OiOk<br />
zi<br />
R ⎩<br />
i<br />
R<br />
−−→ →<br />
⎧<br />
⎪<br />
OiOk<br />
• xk<br />
−−→ →<br />
⎨OiOk<br />
• yk<br />
⎪<br />
−−→ →<br />
•<br />
⎪OiOk<br />
zk<br />
⎩<br />
k<br />
5.2 Repérage de l’orientation des axes du repère<br />
Pour repérer l’orientation des axes du repère R , on ramène ce repère en O de telle sorte<br />
que les centres Oi<br />
et O<br />
k<br />
soient confondues ( O i<br />
≡ O k<br />
) .<br />
Le repère R est en rotation quelconque par rapport au repère R , dans ce cas chacun des<br />
k<br />
k<br />
i<br />
i<br />
→<br />
→<br />
vecteurs unitaires ( x , y , z ) aura des composantes<br />
k<br />
dans le repère R i<br />
; nous pouvons alors écrire :<br />
→ → → →<br />
xi<br />
= α<br />
11<br />
xk<br />
+ α12<br />
yk<br />
+ α13<br />
zk<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
z k<br />
→<br />
z i<br />
→<br />
y<br />
k<br />
→<br />
→ → →<br />
yi<br />
= α<br />
21<br />
xk<br />
+ α<br />
22<br />
yk<br />
+ α<br />
23<br />
zk<br />
→ → → →<br />
zi<br />
= α<br />
31<br />
xk<br />
+ α<br />
32<br />
yk<br />
+ α<br />
33<br />
zk<br />
→<br />
x i<br />
oi ≡ o k<br />
→<br />
x k<br />
→<br />
y i<br />
Ces trois équations peuvent se mettre sous la forme matricielle, ce qui donne :<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ xi<br />
⎟ ⎛α<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎜ yi<br />
⎟ = ⎜α<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
zi<br />
⎝α<br />
⎝ ⎠<br />
11<br />
21<br />
31<br />
α<br />
α<br />
α<br />
12<br />
22<br />
32<br />
→<br />
⎛<br />
α ⎞⎜<br />
x<br />
13<br />
⎟⎜<br />
α<br />
23 ⎟⎜<br />
y<br />
α ⎟⎜<br />
33 ⎠<br />
zk<br />
⎝<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
La matrice [ P]<br />
(3x3) définie par les éléments<br />
Ri<br />
α<br />
ij<br />
est appelée matrice de passage du repère<br />
au repère R . La matrice [ P]<br />
est orthogonale droite, trois paramètres indépendant<br />
k<br />
permettent de repérer l’orientation du repère<br />
R k<br />
. Les paramètres indépendants les plus utilisés<br />
pour déterminer l’orientation de la base mobile sont les angles d’Euler que l’on présentera en<br />
détail dans ce chapitre. Nous allons d’abord étudier les relations existant entre les deux bases<br />
Ri<br />
et<br />
Rk<br />
puis expliciter la formule de la base mobile et ses conséquences.<br />
220
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
5.3. Formule de la base mobile<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Soit R ( O , x , y , z ) un repère fixe et R ( O , x , y , z ) un repère mobile par rapport au<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
k<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
premier. Les vecteurs unitaires du repère<br />
R k<br />
sont orthogonaux entre eux et de module<br />
constant et égale à 1, mais ils changent de direction dans l’espace.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
x = y = z = 1 et x . y = 0 , x . z = 0 , y . z = 0<br />
k<br />
k<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
Nous allons déterminer les dérivées de ces vecteurs dans le repère R i<br />
:<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
i<br />
d x<br />
dt<br />
k<br />
,<br />
→<br />
i<br />
d y<br />
dt<br />
k<br />
,<br />
→<br />
i<br />
d z<br />
dt<br />
k<br />
→ • → → →<br />
→ → →<br />
i<br />
Soit Ω<br />
k<br />
= θ ( a xk<br />
+ b yk<br />
+ c zk<br />
) , le vecteur rotation de la base Rk<br />
( Ok<br />
, xk<br />
, yk<br />
, zk<br />
) par rapport à<br />
→<br />
→<br />
→<br />
la base R ( O , x , y , z ) .<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
Nous avons alors les relations suivantes :<br />
i<br />
→<br />
i<br />
d xk<br />
dθ<br />
d<br />
i<br />
dt<br />
→<br />
x<br />
k<br />
→<br />
i<br />
d yk<br />
dθ<br />
d<br />
i<br />
dt<br />
→<br />
y<br />
k<br />
→<br />
i<br />
d zk<br />
dθ<br />
d<br />
i<br />
→<br />
z<br />
dt<br />
k<br />
⊥ x<br />
→<br />
k<br />
⇒<br />
→<br />
i<br />
d xk<br />
dθ<br />
→<br />
∈ ( y<br />
k<br />
→<br />
, z<br />
k<br />
)<br />
i<br />
d x<br />
→ → →<br />
k<br />
; nous pouvons écrire : = 0. xk<br />
+ c yk<br />
− b zk<br />
)<br />
dθ<br />
⎛a⎞<br />
⎛1⎞<br />
→<br />
i i<br />
→ → → • •<br />
→<br />
d x<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
→<br />
k d θ<br />
i<br />
= = ( 0. xk<br />
+ c yk<br />
− b zk<br />
) θ = θ b ∧ 0 = Ω<br />
k<br />
∧ xk<br />
⊥ y<br />
→<br />
k<br />
dθ<br />
⇒<br />
dt<br />
→<br />
i<br />
d yk<br />
dθ<br />
→<br />
∈ ( x<br />
k<br />
→<br />
, z<br />
k<br />
)<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ c ⎠<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝0⎠<br />
i<br />
d y<br />
→ → →<br />
k<br />
; nous pouvons écrire : = −c xk<br />
+ 0. yk<br />
+ a zk<br />
)<br />
dθ<br />
⎛a⎞<br />
⎛0⎞<br />
→<br />
i i<br />
→ → → • •<br />
→<br />
d y<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
→<br />
k d θ<br />
i<br />
= = ( −c xk<br />
+ 0. yk<br />
+ a zk<br />
) θ = θ b ∧ 1 = Ω<br />
k<br />
∧ yk<br />
⊥ z<br />
→<br />
k<br />
dθ<br />
⇒<br />
dt<br />
→<br />
i<br />
d zk<br />
dθ<br />
→<br />
∈ ( x<br />
k<br />
→<br />
, y<br />
k<br />
)<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ c ⎠<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝0⎠<br />
i<br />
d zk<br />
; nous pouvons écrire : = b x<br />
→<br />
−<br />
→<br />
+ 0.<br />
→<br />
k<br />
a yk<br />
zk<br />
)<br />
dθ<br />
⎛a⎞<br />
⎛0⎞<br />
→<br />
i i<br />
→ → → • •<br />
→<br />
d z<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
→<br />
k d θ<br />
i<br />
= = ( b xk<br />
− yk<br />
+ 0. zk<br />
) θ = θ b ∧ 0 = Ω<br />
k<br />
∧ zk<br />
dθ<br />
dt<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ c ⎠<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝1⎠<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Nous avons donc :<br />
→<br />
i<br />
d x<br />
dt<br />
k<br />
→ →<br />
i<br />
= Ω<br />
k<br />
∧ xk<br />
;<br />
→<br />
i<br />
d y<br />
dt<br />
k<br />
→ →<br />
i<br />
= Ω<br />
k<br />
∧ yk<br />
;<br />
→<br />
i<br />
d z<br />
dt<br />
k<br />
→ →<br />
i<br />
= Ω<br />
k<br />
∧ zk<br />
221
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
5.4. Dérivée dans le repère R d’un vecteur (t)<br />
exprimé dans un repère<br />
i<br />
Le vecteur (t) s’écrira : V t)<br />
X x + Y y Z z dans le repère R .<br />
V →<br />
V →<br />
→<br />
( = → →<br />
+<br />
→<br />
k k k k k k<br />
k<br />
Rk<br />
Sa dérivée dans le repère R k<br />
a pour expression :<br />
Sa dérivée dans le repère R i<br />
s’écrira :<br />
→<br />
k<br />
d V ( t)<br />
dt<br />
• → • → • →<br />
= X k xk<br />
+ Y k yk<br />
+ Z k zk<br />
→<br />
i<br />
→<br />
k<br />
→ → → → →<br />
d V ( t<br />
→<br />
i<br />
i<br />
i<br />
= + X<br />
k<br />
Ω<br />
k<br />
∧ xk<br />
+ Yk<br />
Ω<br />
k<br />
∧ yk<br />
+ Z<br />
k<br />
Ω<br />
k<br />
∧ zk<br />
d V ( t)<br />
)<br />
dt dt<br />
→<br />
i<br />
d V ( t)<br />
dt<br />
=<br />
d<br />
→<br />
k<br />
V ( t)<br />
+ Ω<br />
dt<br />
→<br />
i<br />
k<br />
⎛<br />
∧ ⎜ X<br />
⎝<br />
k<br />
→<br />
x + Y<br />
k<br />
k<br />
→<br />
y + Z<br />
k<br />
k<br />
→<br />
z<br />
k<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
=<br />
d<br />
→<br />
k<br />
V ( t)<br />
+ Ω<br />
dt<br />
→<br />
i<br />
k<br />
→<br />
∧V<br />
( t)<br />
i<br />
k<br />
→<br />
d V ( t)<br />
d V ( t)<br />
→<br />
i<br />
On obtient finalement : = + Ω<br />
k<br />
∧V<br />
( t)<br />
dt dt<br />
→<br />
→<br />
5.5. Propriétés du vecteur<br />
→<br />
Ω i k<br />
→<br />
a) Le vecteur Ω i k<br />
est antisymétrique par rapport aux indices i et j :<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Ω<br />
→<br />
k<br />
i<br />
= −Ω<br />
→<br />
→<br />
i j i<br />
b) Formule de Chasles : Ω = Ω + Ω (principe de composition)<br />
k<br />
k<br />
→<br />
j<br />
c)<br />
d<br />
i<br />
dt<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Ω<br />
=<br />
d<br />
k<br />
dt<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Ω<br />
égalité des dérivées par rapport aux indices.<br />
6. Angles d’Euler<br />
6.1 Angles d’Euler de type 1<br />
→<br />
→<br />
Soit R ( O , x , y , z ) un repère fixe et R ( O , x , y , z ) un repère lié au solide (S), en<br />
i<br />
mouvement quelconque dans l’espace. Le centreO<br />
du repère R appartient au<br />
solide O k<br />
∈ (S) .<br />
i<br />
i<br />
i<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Dans le cas des angles d’Euler de type 1, on considère que les centres O et O des deux<br />
repères sont confondus : O ≡ , ce qui signifie que le repère R ne fait que des rotations<br />
i<br />
O k<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
i<br />
k<br />
222
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
par rapport au repère<br />
R i<br />
. Trois paramètres indépendants sont nécessaires pour définir<br />
complètement l’orientation du repère R par rapport à celle de R .<br />
k<br />
Le passage du repère R vers le repère R se fera par trois rotations en utilisant deux repères<br />
intermédiaires et R .<br />
R1<br />
2<br />
i<br />
i<br />
i<br />
6.1.1. Passage du repère R vers le repère R : (précession)<br />
→<br />
La rotation se fait autour de l’axe z .<br />
→<br />
1<br />
→<br />
→<br />
z i ≡ 1<br />
→<br />
On passe du repère R ( O , x , y , z ) vers le repère R O , x , y , z ) en faisant une rotation<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1 1<br />
d’angle<br />
ψ : appelé angle de précession. La vitesse de rotation est donnée par :<br />
→ • → • →<br />
i<br />
Ω1 = ψ z i<br />
= ψ z1<br />
→<br />
z i<br />
→<br />
z 1<br />
car est confondu avec .<br />
La représentation se fait par des figures planes, à partir desquelles nous construisons les<br />
matrices de passage. Nous avons ainsi :<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
x<br />
1<br />
= cosψ<br />
xi<br />
+ sinψ<br />
yi<br />
+ 0.<br />
zi<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
y<br />
1<br />
= −sinψ<br />
xi<br />
+ cosψ<br />
yi<br />
+ 0.<br />
zi<br />
→ → → →<br />
z<br />
1<br />
= 0. xi<br />
+ 0.<br />
yi<br />
+ zi<br />
Ces trois équations peuvent être mise<br />
sous forme matricielle et nous obtenons:<br />
→<br />
y 1<br />
ψ<br />
→<br />
y i<br />
→ →<br />
z i = z 1<br />
Précession<br />
ψ<br />
→<br />
x<br />
1<br />
→<br />
x i<br />
ψ<br />
→ → → →<br />
→ → →<br />
= ( xi<br />
, x1<br />
) = ( yi<br />
, y1)<br />
avec z1<br />
= x1<br />
∧ y1<br />
⎛<br />
⎜ x<br />
⎜<br />
⎜ y<br />
⎜<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
⎞<br />
⎟ ⎛ cosψ<br />
⎟ ⎜<br />
⎟ = ⎜−<br />
sinψ<br />
⎟ ⎜<br />
⎝ 0<br />
⎠<br />
sinψ<br />
cosψ<br />
0<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
0⎞⎜<br />
xi<br />
⎟<br />
⎟⎜<br />
→ ⎟<br />
0⎟⎜<br />
yi<br />
⎟<br />
⎟<br />
→<br />
1 ⎜ ⎟<br />
⎠<br />
zi<br />
⎝ ⎠<br />
⎛ cosψ<br />
sinψ<br />
0⎞<br />
⎜<br />
⎟<br />
P<br />
R1→Ri<br />
= ⎜−<br />
sinψ<br />
cosψ<br />
0⎟<br />
est la matrice de passage du repère R1<br />
vers le repère Ri<br />
.<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎝ 0 0 1⎠<br />
La matrice de passage de vers R est égale à la transposée de :<br />
Ri<br />
1<br />
PR<br />
1 → Ri<br />
P<br />
T<br />
Ri→ R1 = P R1→<br />
Ri<br />
223
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
6.1.2. Passage du repère vers le repère R : (Nutation)<br />
R2<br />
1<br />
→ →<br />
≡<br />
2<br />
La rotation se fait autour de l’axe x 1<br />
x .<br />
On passe du repère R O , x , y , z ) vers le repère R O , x , y , z ) en faisant une rotation<br />
d’angle<br />
→ • → • →<br />
1<br />
Ω<br />
2<br />
= θ x1<br />
= θ x2<br />
Nous avons ainsi :<br />
→ → → →<br />
x2 = xi<br />
+ 0.<br />
y1<br />
+ 0.<br />
z1<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2 2<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1 1<br />
θ : appelé angle de Nutation. La vitesse de rotation est donnée par :<br />
→<br />
x 1<br />
→ →<br />
→<br />
→<br />
y2<br />
= 0.<br />
x1<br />
+ cosθ y1+<br />
sinθ<br />
zi<br />
→ →<br />
→<br />
→<br />
z2<br />
= 0.<br />
x1<br />
− sinθ y1<br />
+ cosθ<br />
zi<br />
→<br />
x 2<br />
car est confondu avec .<br />
Sous forme matricielle et nous obtenons:<br />
→<br />
z 2<br />
→<br />
θ<br />
→<br />
z 1<br />
→ →<br />
x 1 = x 2<br />
→<br />
→<br />
Nutation<br />
θ<br />
→<br />
θ = ( y1,<br />
y2<br />
) = ( z1,<br />
z2<br />
) avec x2<br />
= y2<br />
∧ z2<br />
)<br />
→<br />
→<br />
y<br />
2<br />
→<br />
y<br />
1<br />
→<br />
→<br />
⎛<br />
⎜ x<br />
⎜<br />
⎜ y<br />
⎜<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
2<br />
→<br />
2<br />
→<br />
2<br />
⎞<br />
⎟ ⎛1<br />
⎟ ⎜<br />
⎟ = ⎜0<br />
⎟ ⎜<br />
⎝0<br />
⎠<br />
0<br />
cosθ<br />
− sinθ<br />
⎛<br />
0 ⎞⎜<br />
x<br />
⎟⎜<br />
sinθ<br />
⎟⎜<br />
y<br />
cosθ<br />
⎟⎜<br />
⎠<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎛1<br />
0 0 ⎞<br />
⎜<br />
⎟<br />
P<br />
R2→R1<br />
= ⎜0<br />
cosθ<br />
sinθ<br />
⎟ est la matrice de passage du repère R2<br />
vers le repère R1<br />
.<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎝0<br />
− sinθ<br />
cosθ<br />
⎠<br />
6.1.3. Passage du repère vers le repère R : (Rotation propre)<br />
Rk<br />
2<br />
→<br />
La rotation se fait autour de l’axe z .<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z 2 ≡ k<br />
→<br />
On passe du repère R ( O , x , y , z ) vers le repère R O , x , y , z ) en faisant une rotation<br />
k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2 2<br />
d’angle<br />
ϕ : appelé angle de Rotation propre. La vitesse de rotation est donnée par :<br />
→<br />
2<br />
k<br />
Ω<br />
=<br />
• →<br />
ϕ z 2<br />
• →<br />
= ϕ z<br />
k<br />
→<br />
z 2<br />
→<br />
z k<br />
car est confondu avec .<br />
Nous avons ainsi :<br />
224
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
x k<br />
= cosϕ<br />
x2 + sinϕ<br />
y2<br />
+ 0.<br />
z2<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
y k<br />
= −sinϕ<br />
x2 + cosϕ<br />
y2<br />
+ 0.<br />
z2<br />
→ → → →<br />
z k<br />
= 0.<br />
x2 + 0.<br />
y2<br />
+ z2<br />
Sous forme matricielle et nous obtenons:<br />
→<br />
y k<br />
ϕ<br />
→<br />
y 2<br />
→ →<br />
z 2 = z k<br />
Rotation propre<br />
ϕ<br />
→<br />
x<br />
k<br />
→<br />
x 2<br />
ϕ<br />
→ → → →<br />
→ → →<br />
= ( x<br />
2<br />
, xk<br />
) = ( y2<br />
, yk<br />
) avec zk<br />
= xk<br />
∧ yk<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
→<br />
⎞<br />
xk<br />
⎟ ⎛ cosϕ<br />
→ ⎟ ⎜<br />
yk<br />
⎟ = ⎜−<br />
sinϕ<br />
→<br />
⎟ ⎜<br />
z<br />
⎝ 0<br />
k<br />
⎠<br />
sinϕ<br />
cosϕ<br />
0<br />
⎛<br />
0⎞⎜<br />
x<br />
⎟⎜<br />
0⎟⎜<br />
y<br />
1⎟⎜<br />
⎠<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
2<br />
→<br />
2<br />
→<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎛ cosϕ<br />
sinϕ<br />
0⎞<br />
⎜<br />
⎟<br />
P<br />
Rk→R2 = ⎜−<br />
sinϕ<br />
cosϕ<br />
0⎟<br />
est la matrice de passage du repère Rk<br />
vers le repère R2<br />
.<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎝ 0 0 1⎠<br />
Le passage du repère R vers le repère R ou inversement se fait par trois rotations<br />
k<br />
i<br />
successives de telle sorte que tous les axes de<br />
R k<br />
occupent des positions différentes de celle<br />
de R . La matrice de passage de R vers R est donnée par le produit des trois matrices<br />
i<br />
successives, on obtient :<br />
k<br />
i<br />
⎛<br />
⎜ x<br />
⎜<br />
⎜ y<br />
⎜<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
⎞<br />
⎟ ⎛ cosϕ<br />
cosψ<br />
− sinψ<br />
cosθ<br />
sinϕ<br />
⎟ ⎜<br />
⎟ = ⎜−<br />
sinϕ<br />
cosψ<br />
− sinψ<br />
cosθ<br />
cosϕ<br />
⎟ ⎜<br />
⎝ sinθ<br />
sinϕ<br />
⎠<br />
cosϕ<br />
sinψ<br />
+ sinϕ<br />
cosθ<br />
cosψ<br />
− sinϕ<br />
cosψ<br />
+ sinψ<br />
cosθ<br />
cosϕ<br />
− sinθ<br />
cosϕ<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
sinϕ<br />
sinθ<br />
⎞⎜<br />
xi<br />
⎟<br />
⎟⎜<br />
→ ⎟<br />
cosϕ<br />
sinθ<br />
⎟⎜<br />
yi<br />
⎟<br />
⎟<br />
→<br />
cosθ<br />
⎜ ⎟<br />
⎠<br />
zi<br />
⎝ ⎠<br />
La matrice de passage de R vers R est donnée par la transposée de cette dernière.<br />
i<br />
k<br />
Le vecteur rotation instantané du repère R par rapport à R aura pour expression<br />
→ • → • → • →<br />
Ω<br />
k<br />
z i<br />
2<br />
i<br />
vectorielle : = ψ + θ x 1<br />
+ ϕ z .<br />
k<br />
i<br />
Il aura une expression différente selon qu’il soit écrit dans l’un ou l’autre des deux repères.<br />
225
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Dans R i<br />
, nous aurons :<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Ω<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
ϕ sinθ<br />
sinψ<br />
+ θ cosψ<br />
•<br />
•<br />
= ⎨−ϕ<br />
sinθ<br />
cosψ<br />
+ θ sinψ<br />
•<br />
•<br />
⎪<br />
⎪ ϕ cosψ<br />
+ ψ<br />
R ⎩<br />
i<br />
Dans , nous aurons : Ω<br />
R k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
ψ sinθ<br />
sinϕ<br />
+<br />
•<br />
= ⎨ψ<br />
sinθ<br />
cosϕ<br />
−<br />
• •<br />
⎪<br />
⎪ϕ<br />
+ ψ cosψ<br />
R ⎩<br />
k<br />
•<br />
θ cos<br />
•<br />
θ sin<br />
Ce vecteur instantané de rotation permet de déduire la vitesse de tous les points du solide en<br />
connaissant la vitesse d’un seul point appartenant au solide.<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
7. Champs des vitesses et accélérations d’un solide<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Soit un repère fixe R ( O , x , y , z ) et un solide ( S ) lié à un repère R ( O , x , y , z ) en<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
mouvement quelconque dans l’espace. Pour tout point su solide (<br />
associer son vecteur position, donc son vecteur vitesse et vecteur accélération.<br />
k<br />
S k<br />
k<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
→<br />
) nous pouvons lui<br />
Considérons deux points A et B appartenant au solide ( S ) , nous allons chercher une<br />
relation entre leur vitesse et leur accélération.<br />
k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
7.1. Champs des vitesses<br />
Le solide (S k ) est indéformable, alors la<br />
distance<br />
−−−→<br />
A k<br />
B k<br />
= Cte<br />
du temps dans les deux repères.<br />
reste constante au cours<br />
→<br />
z i<br />
→<br />
z k<br />
y<br />
→ ( S k )<br />
k<br />
A k<br />
B k<br />
Ce vecteur s’exprimera de façon différente<br />
dans R et R . Les vitesses des points<br />
i<br />
k<br />
O k<br />
→<br />
x<br />
k<br />
A<br />
k<br />
et<br />
B k<br />
sont différentes car le solide<br />
a un mouvement quelconque.<br />
O i<br />
→<br />
x i<br />
→<br />
y i<br />
226
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Dans le repère R i<br />
nous avons :<br />
−−−→ −−−→ −−−→<br />
i<br />
Bk<br />
= Oi<br />
Ak<br />
+ Ak<br />
Bk<br />
−−−→ −−−→ −−−→<br />
k k i k i k<br />
=<br />
O ⇒ A B = O B − O A Cte<br />
Dans le repère R k<br />
nous avons :<br />
−−−→ −−−→ −−−→<br />
k<br />
Bk<br />
= Ok<br />
Ak<br />
+ Ak<br />
Bk<br />
−−−→ −−−→ −−−→<br />
k k k k k k<br />
=<br />
O ⇒ A B = O B − O A Cte<br />
Des deux expressions nous pouvons déduire une relation entre les vitesses des deux points<br />
appartenant au solide.<br />
Les vitesses des deux points par rapport au repère<br />
R i<br />
sont données par:<br />
−−−→<br />
→<br />
i<br />
i d Oi<br />
Ak<br />
V ( Ak<br />
) =<br />
et<br />
dt<br />
Ses deux expressions peuvent s’écrire sous la forme :<br />
→<br />
i<br />
V ( B ) =<br />
k<br />
d<br />
i<br />
−−−→<br />
O B<br />
i<br />
dt<br />
k<br />
→<br />
i<br />
−−−→<br />
−−−→<br />
i<br />
k<br />
→<br />
d O<br />
−−−→<br />
i<br />
Ak<br />
d Oi<br />
Ak<br />
i<br />
= = + Ω<br />
k<br />
∧ Oi<br />
Ak<br />
V ( Ak<br />
)<br />
………..(1)<br />
dt dt<br />
→<br />
i<br />
−−−→<br />
−−−→<br />
i<br />
k<br />
→<br />
d O<br />
−−−→<br />
i<br />
Bk<br />
d Oi<br />
Bk<br />
i<br />
= = + Ω<br />
k<br />
∧ Oi<br />
Bk<br />
V ( Bk<br />
)<br />
………..(2)<br />
dt dt<br />
En faisant la différence entre les deux expressions (2) - (1) : on aboutit à :<br />
−−−→<br />
i ⎛<br />
⎜ −<br />
→<br />
→<br />
d Oi<br />
Bk<br />
d<br />
i<br />
i ⎝<br />
V ( Bk<br />
) −V<br />
( Ak<br />
) =<br />
dt<br />
i<br />
−−−→<br />
O A<br />
−−−→ −−−→<br />
i ⎛<br />
⎞<br />
d ⎜O −<br />
−−−→<br />
i<br />
Bk<br />
Oi<br />
Ak<br />
⎟ i<br />
or on sait que :<br />
⎝<br />
⎠ d Ak<br />
Bk<br />
= = 0<br />
dt<br />
dt<br />
i<br />
k<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
−−−→ −−−→<br />
i ⎛<br />
+ Ω<br />
k<br />
∧ ⎜Oi<br />
Bk<br />
− Oi<br />
Ak<br />
⎝<br />
car<br />
−−−→<br />
i<br />
k<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
−−−→<br />
O B − O A<br />
On obtient ainsi la relation de distribution des vitesses dans un solide :<br />
→<br />
i<br />
k<br />
→<br />
→ −−−→<br />
i<br />
i<br />
= V ( Ak<br />
+ Ω<br />
k<br />
∧ Ak<br />
Bk<br />
V ( B ) )<br />
i<br />
k<br />
−−−→<br />
= A B<br />
Cette relation est d’une grande importance dans la cinématique et la dynamique des solides.<br />
Elle permet, à partir de la vitesse d’un point du solide de déduire la vitesse de tous les autres<br />
points du solide en connaissant la vitesse de rotation du repère lié à celui-ci.<br />
Remarques :<br />
→<br />
i<br />
a) Si le vecteur rotation instantané Ω = 0 , alors le solide est en mouvement de translation<br />
k<br />
i<br />
i<br />
pur et tous les points du solide ont la même vitesse : V B ) = V ( A ) ;<br />
→<br />
(<br />
k<br />
→<br />
→<br />
→ −−−→<br />
=<br />
k i k<br />
→<br />
→<br />
(<br />
k<br />
k<br />
i<br />
i<br />
i<br />
b) Si V A ) = 0 et V ( B ) Ω ∧ A B , on dit que le solide est en mouvement de<br />
rotation pur autour du point A ∈ S ) ;<br />
→<br />
k<br />
k<br />
( k<br />
k<br />
k<br />
227
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
c) Le mouvement quelconque (général) d’un solide peut être décrit comme étant composé<br />
i<br />
d’un mouvement de translation du point A ∈ S ) à la vitesse V A ) et d’un<br />
k<br />
( k<br />
→<br />
(<br />
k<br />
mouvement de rotation autour du point<br />
A ∈ S ) à la vitesse de rotation<br />
k<br />
( k<br />
→<br />
i<br />
Ω k<br />
.<br />
7.2. Equiprojectivité du champ des vitesses d’un solide<br />
Nous pouvons le montrer par deux méthodes différentes.<br />
i<br />
a) Nous avons montré précédemment que V ( B )<br />
→<br />
k<br />
→<br />
→ −−−→<br />
i<br />
i<br />
= V ( Ak<br />
) + Ω<br />
k<br />
∧ Ak<br />
Bk<br />
En multipliant cette expression par le vecteur A<br />
−−−→<br />
B k k<br />
, nous obtenons :<br />
−−−→<br />
→<br />
−−−→<br />
i<br />
i<br />
A B • V ( B ) = A B • V ( A ) + A<br />
k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
→<br />
k<br />
⎛<br />
⎜Ω<br />
⎝<br />
−−−→ →<br />
i<br />
k<br />
Bk<br />
•<br />
k<br />
−−−→<br />
∧ A B<br />
Par permutation circulaire du produit mixte, nous pouvons facilement voir que l’expression :<br />
−−−→ →<br />
i<br />
k<br />
Bk<br />
• ⎜<br />
k<br />
A<br />
→<br />
⎛<br />
−−−→<br />
⎞<br />
−−−→ −−−→ →<br />
i ⎛<br />
⎞<br />
Ω ∧ Ak<br />
Bk<br />
⎟ = Ω<br />
k<br />
• ⎜ Ak<br />
Bk<br />
∧ Ak<br />
Bk<br />
⎟ = 0<br />
⎝ ⎠ ⎝<br />
⎠<br />
−−−→<br />
→<br />
−−−→ →<br />
(<br />
k k k k<br />
i<br />
i<br />
On obtient ainsi l’égalité : A B • V B ) = A B • V ( A )<br />
k<br />
k<br />
(propriété d ‘équiprojectivité du champ des vitesses du solide)<br />
k<br />
k<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
b) Cette expression peut être retrouvée<br />
d’une autre façon.<br />
Le solide ( ) est indéformable<br />
S k<br />
et la distance A −−−→<br />
B k k<br />
est constante alors :<br />
⎛<br />
d⎜<br />
Ak<br />
B<br />
⎝<br />
dt<br />
−−−→<br />
k<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
= 0<br />
→<br />
z i<br />
→<br />
i<br />
( Ak<br />
V<br />
)<br />
→<br />
B k i<br />
V ( Bk<br />
)<br />
A k<br />
( S k )<br />
⎛<br />
d⎜<br />
Ak<br />
B<br />
⎝<br />
dt<br />
−−−→<br />
k<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
−−−→<br />
= 2 A B<br />
k<br />
k<br />
d A<br />
−−−→<br />
k<br />
dt<br />
B<br />
k<br />
= 0<br />
O i<br />
→<br />
x i<br />
→<br />
y i<br />
−−−→ →<br />
→<br />
⎛<br />
⎞<br />
−−−→ →<br />
−−−→ →<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
2 A<br />
k<br />
Bk<br />
• ⎜V<br />
( Bk<br />
) −V<br />
( Ak<br />
) ⎟ = 0 d’où Ak<br />
Bk<br />
• V ( Bk<br />
) = Ak<br />
Bk<br />
• V ( Ak<br />
)<br />
⎝<br />
⎠<br />
228
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
Cette propriété d’équiprojectivité entraîne l’existence d’un vecteur libre Ω i k<br />
tel que :<br />
→<br />
i<br />
k<br />
→<br />
→ −−−→<br />
i<br />
i<br />
= V ( Ak<br />
+ Ω<br />
k<br />
∧ Ak<br />
Bk<br />
V ( B ) )<br />
, ce qui permet d’introduire la notion de torseur cinématique.<br />
7.3. Champs des accélérations<br />
Pour chaque point du solide S ) lié au repère R , on déduit l’accélération à partir de la<br />
( k<br />
vitesse à partir de la relation : γ ( A<br />
→<br />
→<br />
)<br />
i k<br />
i i<br />
d V ( Ak<br />
) =<br />
dt<br />
i<br />
i<br />
Nous allons chercher une relation qui lie les accélérations : γ A ) et γ B )<br />
k<br />
→<br />
( k<br />
Nous avons déjà établi une relation entre les vitesses des deux points :<br />
→<br />
i<br />
k<br />
→<br />
→ −−−→<br />
i<br />
i<br />
= V ( Ak<br />
+ Ω<br />
k<br />
∧ Ak<br />
Bk<br />
V ( B ) )<br />
→<br />
( k<br />
Nous déduirons la relation entre les accélérations par dérivation de l’expression des vitesses.<br />
→<br />
i<br />
γ ( B<br />
k<br />
) =<br />
→<br />
i i<br />
d V ( B )<br />
dt<br />
k<br />
=<br />
→<br />
→<br />
i i<br />
i i<br />
d V ( Ak<br />
) d Ω<br />
k<br />
+<br />
dt dt<br />
∧ A<br />
−−−→<br />
k<br />
B<br />
k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
+ Ω<br />
d<br />
∧<br />
i<br />
−−−→<br />
A<br />
k<br />
dt<br />
B<br />
k<br />
et comme :<br />
d<br />
i<br />
−−−→<br />
−−−→<br />
k<br />
→ −−−→ → −−−→<br />
k<br />
Bk<br />
d Ak<br />
Bk<br />
i<br />
i<br />
= + Ω<br />
k<br />
∧ Ak<br />
Bk<br />
= Ω<br />
k<br />
∧ Ak<br />
Bk<br />
A<br />
dt<br />
dt<br />
car<br />
d<br />
k<br />
−−−→<br />
Ak<br />
B<br />
dt<br />
on obtient finalement la relation entre les accélération des deux points A et B du solide :<br />
k<br />
k<br />
→<br />
= 0<br />
k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
→<br />
→<br />
i<br />
i<br />
i d Ω<br />
γ ( B<br />
k<br />
) = γ ( Ak<br />
) +<br />
dt<br />
−−−→<br />
∧ A B<br />
k<br />
k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
+ Ω<br />
⎛<br />
∧ ⎜Ω<br />
⎝<br />
→<br />
i<br />
k<br />
−−−→<br />
∧ A B<br />
k<br />
k<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
i<br />
On constate que si la vitesse de rotation est constante Ω = 0 l’expression devient :<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
⎛<br />
−−−→ →<br />
⎞<br />
−−−→ →<br />
i<br />
i<br />
i i<br />
⎛ ⎞<br />
( ) = ( ) + Ω ∧ ⎜Ω<br />
∧ ⎟ =<br />
i<br />
( ) − ⎜ Ω<br />
i<br />
γ Bk<br />
γ Ak<br />
k k<br />
Ak<br />
Bk<br />
γ Ak<br />
Ak<br />
Bk<br />
k<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
→<br />
k<br />
→<br />
2<br />
7.4. Torseur cinématique<br />
La formule de distribution des vitesses est donnée par la relation :<br />
→<br />
i<br />
k<br />
→<br />
→ −−−→<br />
i<br />
i<br />
= V ( Ak<br />
+ Ω<br />
k<br />
∧ Ak<br />
Bk<br />
V ( B ) )<br />
La formule de transport des moments entre deux points A et B du solide a pour expression :<br />
k<br />
k<br />
229
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
−→<br />
k<br />
−→ → −−→<br />
= M ( Ak<br />
+ R∧<br />
Ak<br />
Bk<br />
M ( B ) )<br />
; nous constatons qu’il y a équivalence entre ces deux équations.<br />
Le vecteur vitesse au point B est le moment au point B d’un torseur que nous noterons :<br />
k<br />
k<br />
[ C] B k<br />
→<br />
Ω i k<br />
et la résultante n’est autre que le vecteur rotation instantané .<br />
Le torseur cinématique au point<br />
B k<br />
ou (torseur de distribution des vitesses) relatif au<br />
mouvement du solide par rapport à a pour éléments de réduction :<br />
→<br />
- le vecteur rotation instantanée Ω i k<br />
;<br />
i<br />
- la vitesse au point B<br />
k<br />
: V ( Bk<br />
)<br />
il sera noté sous la forme : [ C]<br />
→<br />
B<br />
k<br />
R i<br />
→<br />
⎧ i<br />
⎪Ω<br />
k<br />
= ⎨ →<br />
⎪<br />
i<br />
⎩V<br />
( B<br />
k<br />
→<br />
i<br />
) = V<br />
k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
( A ) + Ω<br />
−−−→<br />
∧ A B<br />
Le torseur cinématique est d’un grand intérêt car il caractérise complètement le mouvement<br />
d’un solide par rapport au repère<br />
R i<br />
en ce qui concerne les vitesses.<br />
Comme les éléments de réduction du torseur cinématique sont des fonctions du temps alors le<br />
torseur cinématique en dépend, il a donc à chaque instant une résultante et un champ de<br />
vitesse différent.<br />
k<br />
k<br />
7.5. Axe instantané de rotation<br />
On appelle axe instantané de rotation l’axe central du torseur cinématique. Nous avons montré<br />
précédemment que l’axe central est l’ensemble des points P tels que le moment du torseur<br />
en ce point soit parallèle à la résultante. Dans le cas du torseur cinématique, l’ensemble de ces<br />
points constitue l’axe dont les vitesses sont parallèles au vecteur vitesse instantanée de<br />
rotation.<br />
A chaque instant le mouvement du solide peut être considéré comme étant la composition<br />
d’un mouvement de rotation de vitesse de rotation<br />
→<br />
Ω i k<br />
autour de l’axe instantané et d’une<br />
translation dont la direction instantanée est parallèle au vecteur vitesse de rotation .<br />
Soit un solide (S) lié à un repère R en mouvement quelconque par rapport à un repère R et<br />
k<br />
→<br />
Ω i k<br />
i<br />
→<br />
Ω i k<br />
le vecteur rotation instantané du solide par rapport à R .<br />
i<br />
230
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
On considère un point A ∈ (S) . Soit ( π ) un plan de normale<br />
→<br />
n<br />
et contenant le point A<br />
i i<br />
tel que la vitesse de rotation du solide soit parallèle à : Ω = Ω n . Le vecteur vitesse<br />
→<br />
n<br />
→<br />
k<br />
k<br />
→<br />
du point<br />
A ∈ (π ) peut se décomposer en deux vecteurs, l’un dans le plan (π ) et l’autre<br />
perpendiculaire à (π ) , ce qui donne :<br />
→<br />
→<br />
V ( A)<br />
= V ( A)<br />
+ V ( A)<br />
avec V ( A ) ∈ ( π ) et V<br />
t<br />
→<br />
n<br />
→<br />
t<br />
→<br />
n<br />
( A ) ⊥(<br />
π )<br />
→<br />
z<br />
i<br />
→<br />
V n<br />
(A)<br />
A<br />
V →<br />
(A)<br />
P<br />
→<br />
Ω i k<br />
→<br />
n<br />
( π<br />
O i<br />
→<br />
y i<br />
→<br />
V t<br />
(A)<br />
→<br />
x i<br />
D’après ce que l’on a développé sur les torseurs, il est possible de trouver un point P tel<br />
→<br />
t<br />
( A)<br />
→<br />
i<br />
k<br />
−→<br />
que : V = Ω ∧ PA , alors l’expression de la vitesse du point A s’écrira :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
i<br />
k<br />
−→<br />
V ( A)<br />
= V ( A + Ω ∧ PA<br />
n<br />
)<br />
Quelque soit Q ∈ (π ) nous pouvons par la formule de transport écrire :<br />
→<br />
→<br />
→ −→ → → −→ → −→ →<br />
i<br />
i<br />
i<br />
k<br />
∧ AQ = Vn<br />
( A)<br />
+ Ω<br />
k<br />
∧ PA+ Ω<br />
k<br />
∧ AQ = Vn<br />
( A)<br />
V ( Q)<br />
= V ( A)<br />
+ Ω<br />
+ Ω ∧ PQ<br />
→<br />
→<br />
→<br />
i<br />
k<br />
−→<br />
V ( Q)<br />
= V ( A + Ω ∧ PQ<br />
n<br />
)<br />
Nous pouvons conclure que le vecteur vitesse du point Q ∈ (π ) s’écrit :<br />
→<br />
→<br />
V ( Q)<br />
= V ( Q)<br />
+ V ( Q)<br />
i<br />
avec : V Q = Ω ∧ PQ et V<br />
t<br />
→<br />
→ −→<br />
→ →<br />
t<br />
( )<br />
k<br />
n<br />
Q)<br />
Vn<br />
→<br />
n<br />
→<br />
i<br />
k<br />
( = ( A)<br />
On constate que la composante de la vitesse, normale au plan (π ) est la même pour tous les<br />
points du solide. On obtient finalement quelque soit P et Q :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
i<br />
k<br />
−→<br />
V ( Q)<br />
= V ( Q + Ω ∧ PQ<br />
n<br />
)<br />
−→<br />
231
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le mouvement du solide dans ce cas se décompose à chaque instant en un mouvement de<br />
translation dans le plan et en un mouvement de rotation autour d’un axe passant par le point<br />
→<br />
P et parallèle au vecteur unitaire n .<br />
L’axe ainsi défini par le point P et le vecteur unitaire<br />
→<br />
n<br />
//<br />
→<br />
Ω i k<br />
constitue l’axe instantané de<br />
rotation du solide par rapport au repère .<br />
R i<br />
Nous savons que l’axe central d’un torseur est le lieu des points P où le moment est<br />
minimum ou nul. Dans le cas d’un torseur cinématique, la vitesse instantanée est nulle sur<br />
tous les points de l’axe central. On déduit que si la vitesse est nulle, en deux points distincts<br />
d’un solide, alors l’axe joignant les deux points est forcément un axe de rotation donc un axe<br />
central du torseur cinématique.<br />
8. Lois de composition des mouvements<br />
8.1. Loi de composition des vitesses<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Soit R ( O , x , y , z ) un repère fixe de référence et R ( O , x , y , z ) un repère en<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
k<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
mouvement quelconque par rapport au repère fixe. On considère un solide<br />
mouvement est connu dans le repère relatif R ( O , x , y , z ) .<br />
k<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
( S k<br />
)<br />
dont le<br />
Soit P un point du solide, nous pouvons écrire à chaque instant : O P = O O + O P<br />
R i<br />
La vitesse du point P dans le repère est donnée par la dérivée du vecteur Oi dans ce<br />
−−→<br />
i<br />
−−−→<br />
i<br />
k<br />
−−→<br />
P<br />
−−→<br />
k<br />
même repère.<br />
−−→<br />
−−−→<br />
→<br />
i<br />
i<br />
i d Oi<br />
P d OiOk<br />
V ( P)<br />
= =<br />
dt dt<br />
−−→<br />
i<br />
d Ok<br />
P<br />
+<br />
dt<br />
Développons les deux termes de la vitesse, ce qui donne :<br />
d<br />
i<br />
−−−→<br />
OiO<br />
dt<br />
k<br />
→<br />
i<br />
= V ( Ok<br />
) : vitesse du centre du repère Rk<br />
par rapport au repère R i<br />
;<br />
→<br />
z i<br />
O i<br />
→<br />
z<br />
k<br />
O k<br />
→<br />
y<br />
P. (S k )<br />
i<br />
→<br />
y k<br />
→<br />
x<br />
k<br />
−−→<br />
i<br />
d Ok<br />
P<br />
dt<br />
−−→<br />
k<br />
→ −−→ →<br />
→<br />
d O<br />
−−→<br />
k<br />
P i<br />
k<br />
i<br />
= + Ω<br />
k<br />
∧ Ok<br />
P = V ( P)<br />
+ Ω<br />
k<br />
∧ Ok<br />
P<br />
dt<br />
→<br />
x i<br />
232
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Finalement la vitesse du point P dans le repère R i<br />
s’écrit :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎛<br />
−−→<br />
i<br />
k<br />
i<br />
i ⎞<br />
V ( P)<br />
= V ( P)<br />
+ ⎜V<br />
( Ok<br />
) + Ω<br />
k<br />
∧ Ok<br />
P⎟<br />
qui s’écrit aussi sous la forme :<br />
⎝<br />
⎠<br />
→<br />
→<br />
→<br />
i<br />
k<br />
i<br />
V ( P)<br />
= V ( P)<br />
+ V ( P)<br />
k<br />
→<br />
V i (P)<br />
→<br />
V k (P)<br />
→<br />
V i<br />
k<br />
(P)<br />
: vitesse absolue du point P pour un observateur lié Ri<br />
: vitesse relative du point P par rapport à Rk<br />
en mouvement par rapport à<br />
: Vitesse d’entraînement du point P s’il était immobile dans R k<br />
.<br />
Ri<br />
8.1.1. Propriétés mathématiques du vecteur V i (P)<br />
→<br />
i<br />
k<br />
• V ( P)<br />
= −V<br />
( P)<br />
: antisymétrique par rapport aux indices donc aux repères ;<br />
k<br />
→<br />
→<br />
i<br />
j<br />
i<br />
• V ( P)<br />
= V ( P)<br />
+ V ( P)<br />
k<br />
→<br />
k<br />
i<br />
8.2. Loi de composition des accélérations<br />
→<br />
j<br />
→<br />
i<br />
L’accélération absolue γ (P) du point P se déduit à partir de la vitesse absolue :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
i i<br />
i k<br />
i i<br />
i i<br />
i d V ( P)<br />
d V ( P)<br />
d V ( Ok<br />
) d ( Ω<br />
k<br />
∧ Ok<br />
P)<br />
γ ( P)<br />
= = + +<br />
dt dt dt<br />
dt<br />
Développons chacun des trois termes :<br />
→<br />
→<br />
i k<br />
k k<br />
→ →<br />
→<br />
→ →<br />
d V ( P)<br />
d V ( P)<br />
i k<br />
k<br />
i k<br />
i) = + Ω<br />
k<br />
∧V<br />
( P)<br />
= γ ( P)<br />
+ Ω<br />
k<br />
∧V<br />
( P)<br />
;<br />
dt dt<br />
→<br />
i i<br />
→<br />
d V ( Ok<br />
) i<br />
ii) = γ ( Ok<br />
) ;<br />
dt<br />
→<br />
k<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
iii)<br />
→<br />
i<br />
k<br />
i<br />
d ( Ω<br />
dt<br />
−−→<br />
∧ O P)<br />
k<br />
=<br />
=<br />
d<br />
d<br />
i<br />
i<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Ω<br />
dt<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Ω<br />
dt<br />
∧ O<br />
∧ O<br />
−−→<br />
k<br />
−−→<br />
k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
P+ Ω<br />
→<br />
i<br />
k<br />
P+ Ω<br />
⎛<br />
⎜ d<br />
∧<br />
⎜<br />
⎝<br />
−−→<br />
i<br />
d Ok<br />
P<br />
∧<br />
dt<br />
k<br />
−−→<br />
→ ⎞<br />
O<br />
−−→<br />
k<br />
P i ⎟<br />
+ Ω<br />
k<br />
∧ Ok<br />
P<br />
dt<br />
⎟<br />
⎠<br />
=<br />
d<br />
i<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Ω<br />
dt<br />
∧ O<br />
−−→<br />
k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
P+ Ω<br />
⎛<br />
∧ ⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
( P)<br />
+ Ω<br />
∧ O<br />
−−→<br />
k<br />
⎞<br />
P⎟<br />
⎠<br />
233
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
La somme des trois termes donne :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
i<br />
k<br />
i k<br />
i<br />
γ ( P)<br />
= γ ( P)<br />
+ Ω ∧V<br />
( P)<br />
+ γ ( O<br />
k<br />
→<br />
→<br />
k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
i<br />
d Ω<br />
) +<br />
dt<br />
∧ O<br />
−−→<br />
k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
P+ Ω<br />
⎛<br />
∧ ⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
( P)<br />
+ Ω<br />
∧ O<br />
−−→<br />
k<br />
⎞<br />
P⎟<br />
⎠<br />
→<br />
→ →<br />
⎛<br />
→<br />
i i<br />
→ →<br />
⎞<br />
→ →<br />
i<br />
k ⎜ i d Ω<br />
−−→<br />
−−→<br />
k<br />
i i ⎟ i k<br />
γ ( P)<br />
= γ ( P)<br />
+ ⎜γ<br />
( Ok<br />
) + ∧ Ok<br />
P+ Ω<br />
k<br />
∧ ( Ω<br />
k<br />
∧ Ok<br />
P)<br />
+ 2Ω<br />
k<br />
∧V<br />
( P)<br />
dt<br />
⎟<br />
⎝<br />
⎠<br />
Cette expression peut s’écrire sous une forme réduite :<br />
→<br />
→<br />
i<br />
k<br />
i<br />
γ ( P)<br />
= γ ( P)<br />
+ γ ( P)<br />
+ γ ( P)<br />
→<br />
i<br />
→<br />
k<br />
→<br />
C<br />
γ (P) : accélération absolue du point P (par rapport à fixe)<br />
→<br />
k<br />
γ (P) : accélération relative du point P (par rapport au repère )<br />
→<br />
→ →<br />
i i −−→ → → −−→<br />
i<br />
i d Ω<br />
k<br />
i i<br />
γ<br />
k<br />
( P)<br />
= γ ( Ok<br />
) + ∧ Ok<br />
P+ Ω<br />
k<br />
∧ ( Ω<br />
k<br />
∧ Ok<br />
P)<br />
: accélération d’entraînement du repère Rk<br />
dt<br />
R i<br />
R k<br />
→<br />
i k<br />
γ ( P)<br />
= 2Ω<br />
∧V<br />
( P)<br />
C<br />
→<br />
k<br />
→<br />
: accélération de Coriolis ( accélération complémentaire)<br />
L’accélération de Coriolis est une composition entre la vitesse de rotation<br />
par rapport au repère R et la vitesse relative (P)<br />
du point P.<br />
i<br />
L’accélération de coriolis du point P est nulle, si et seulement si :<br />
→<br />
V k<br />
→<br />
Ω i k<br />
du repère<br />
Rk<br />
i<br />
- La vitesse de rotation du repère relatif par rapport au repère absolue est nulle : Ω = 0 ;<br />
- La vitesse relative du point P est nulle : V k (P) = 0 ;<br />
- La vitesse de rotation est colinéaire avec la vitesse relative : Ω // V k ( P)<br />
→<br />
→<br />
→<br />
i k<br />
→<br />
→<br />
k<br />
→<br />
9. Mouvements particuliers fondamentaux<br />
9.1. Mouvement de translation pur<br />
Un solide S ) lié à un repère R ( O , x , y , z ) est dit en mouvement de translation pur<br />
( k<br />
→<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
par rapport à un repère R ( O , x , y , z ) si les axes de R ( O , x , y , z ) gardent une direction<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
→<br />
k<br />
k<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
234
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
fixe par rapport à ceux de<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( O , x , y , z )<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
, au cours du temps.<br />
Tous les points du solide ont la même vitesse et la même accélération que le point P ∈ S ) .<br />
( k<br />
La vitesse de rotation du solide est nulle par rapport à R i<br />
.<br />
→ →<br />
i<br />
i<br />
( P)<br />
= V ( Ok<br />
On peut écrire : V ) et<br />
−−→<br />
O k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Comme P ≠ 0 alors Ω<br />
→<br />
→<br />
= 0<br />
→<br />
i<br />
k<br />
−−→<br />
O k<br />
→<br />
Ω ∧ P = 0<br />
Dans ce cas le champ des vitesses est un champ uniforme.<br />
→<br />
→<br />
z k<br />
z O k<br />
i<br />
Q<br />
O i<br />
→<br />
x i<br />
( S k )<br />
P<br />
→<br />
y<br />
i<br />
→<br />
y k<br />
→<br />
x k<br />
Le torseur cinématique qui décrit le mouvement de translation pur est un torseur couple, dont<br />
la résultante est nulle mais le moment n’est pas nul.<br />
[ C ]<br />
k / i P<br />
→<br />
⎧<br />
→<br />
i<br />
⎪Ω<br />
k<br />
= 0<br />
= ⎨ →<br />
⎪<br />
i<br />
⎩V<br />
( P)<br />
= V<br />
→<br />
i<br />
→<br />
( Q)<br />
≠ 0<br />
Comme tous les points du solide ont la même vitesse à chaque instant alors les points<br />
décrivent des trajectoires parallèles. Trois types de trajectoires peuvent être décrites :<br />
Soient P et Q deux points du solide :<br />
- Trajectoire en translation rectiligne :<br />
- Trajectoire en translation curviligne :<br />
les vitesses de points P et Q sont<br />
parallèles et égales.<br />
P<br />
Q<br />
P<br />
Q<br />
- Trajectoire en translation circulaire,<br />
les points P et Q décrivent des<br />
cercles de même rayons à la même vitesse<br />
P<br />
Q<br />
235
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
9.2. Mouvement de rotation pur autour d’un axe du solide<br />
9.2.1. Vitesse d’un point P du solide<br />
Un solide ( ) lié à un repère R ( O , x , y , z ) est dit en mouvement de rotation pur par<br />
S k<br />
→<br />
→<br />
→<br />
k<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
rapport à un repère R ( O , x , y , z ) si un axe de R ( O , x , y , z ) reste fixe à tout instant et<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
→<br />
k<br />
k<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
d’une manière permanente dans le repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( O , x , y , z ) . Nous avons donc deux points<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
distincts O<br />
k<br />
et I du solide ( S k<br />
) qui restent fixe dans le repère R ( O , x , y , z ) au cours du<br />
mouvement de rotation.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Le repère R ( O , x , y , z ) est en rotation pur par rapport au repère R ( O , x , y , z ) à une<br />
k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
• →<br />
• →<br />
i<br />
vitesse angulaire donnée par : Ω = ψ z = ψ z et V<br />
→<br />
k<br />
i<br />
k<br />
→<br />
i<br />
( Ok<br />
→<br />
) = 0<br />
Soit P un point quelconque du solide et n’appartenant pas à l’axe de rotation tel que :<br />
i<br />
i<br />
i<br />
→<br />
i<br />
→<br />
i<br />
i<br />
→<br />
→<br />
i<br />
i<br />
→<br />
i<br />
→<br />
i<br />
−→ →<br />
IP = r xk<br />
→ →<br />
Quel que soit I ∈ z i<br />
et z , on peut écrire :<br />
k<br />
→<br />
z ,<br />
→<br />
i<br />
z k<br />
( S k )<br />
→<br />
i<br />
→<br />
i<br />
→<br />
i<br />
k<br />
−−→<br />
V ( I)<br />
= V ( O ) + Ω ∧ O I , or nous avons :<br />
→<br />
i<br />
−−→<br />
O k<br />
I<br />
k<br />
→<br />
−−→<br />
i<br />
Ωk // ⇒ Ω<br />
k<br />
∧ O k<br />
I = 0 d’où :<br />
→ →<br />
i<br />
i<br />
( I)<br />
V ( Ok<br />
V<br />
→<br />
= ) = 0<br />
k<br />
→<br />
→<br />
x i<br />
I P<br />
O i =O k<br />
ψ<br />
ψ<br />
→<br />
x<br />
k<br />
→<br />
y<br />
i<br />
I et P sont deux points du solide, nous pouvons alors écrire :<br />
→<br />
i<br />
→<br />
i<br />
→<br />
i<br />
k<br />
−→<br />
→<br />
i<br />
k<br />
V ( P)<br />
= V ( I)<br />
+ Ω ∧ IP = Ω ∧ IP ⇒ V ( P)<br />
= Ω ∧ IP<br />
→<br />
−→<br />
−→<br />
i<br />
On remplace Ω et IP par leurs expressions, la vitesse du point P devient :<br />
→<br />
k<br />
→ −→ • → → • →<br />
=<br />
k<br />
k k<br />
k<br />
i<br />
i<br />
V ( P)<br />
Ω ∧ IP = ψ z ∧ r x = rψ<br />
y<br />
Dans un mouvement de rotation pur, le torseur des vitesses est équivalent au torseur glisseur<br />
→<br />
i<br />
→<br />
i<br />
k<br />
−→<br />
C<br />
→<br />
⎧<br />
→<br />
i<br />
⎪Ω<br />
≠ 0<br />
= ⎨ → →<br />
⎪<br />
i<br />
⎩V<br />
( I)<br />
= 0<br />
k<br />
défini par : [ ] avec<br />
k / i P<br />
→<br />
→<br />
I ∈ z i<br />
et z<br />
k<br />
236
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A.KADI<br />
9.2.2. Accélération du point P du solide<br />
Nous avons trouvé précédemment la vitesse du point P , elle est donnée par :<br />
→<br />
i<br />
→<br />
−→<br />
i<br />
V ( P)<br />
= Ω ∧ IP<br />
k<br />
; on déduit l’accélération par dérivation de cette expression :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
i i<br />
i i<br />
→ i<br />
i d V ( P)<br />
d Ω<br />
−→<br />
k<br />
i d IP<br />
γ ( P)<br />
= = ∧ IP + Ω<br />
k<br />
∧ or nous avons :<br />
dt dt<br />
dt<br />
−→<br />
−→<br />
i<br />
d IP<br />
dt<br />
−→<br />
k<br />
→<br />
d IP<br />
−→<br />
i<br />
= + Ω<br />
k<br />
∧ IP<br />
dt<br />
−→<br />
; comme IP = Cte dans le repère alors<br />
R k<br />
−→<br />
d k IP<br />
dt<br />
→<br />
= 0<br />
ce qui donne :<br />
−→<br />
i<br />
d IP<br />
dt<br />
→<br />
i<br />
k<br />
−→<br />
= Ω ∧ IP , l’expression de l’accélération devient :<br />
→<br />
→<br />
i i<br />
Ω<br />
−→ → →<br />
⎛<br />
−→<br />
i d<br />
k<br />
i i ⎞<br />
γ ( P)<br />
= ∧ IP + Ω<br />
k<br />
∧ ⎜Ω<br />
k<br />
∧ IP⎟ dt<br />
⎝ ⎠<br />
En développant cette expression on obtient :<br />
→<br />
i<br />
γ ( P)<br />
=<br />
d<br />
i<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Ω<br />
dt<br />
−→<br />
∧ IP<br />
+<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Ω<br />
→ −→ −→<br />
i<br />
k<br />
• IP)<br />
− IP<br />
( Ω<br />
→ →<br />
i i<br />
k<br />
• Ω<br />
k<br />
( Ω<br />
)<br />
or nous avons :<br />
→<br />
i<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
i<br />
Ω<br />
k<br />
⊥ IP ⇒ Ωk<br />
• IP = 0<br />
et<br />
→ →<br />
i i<br />
k<br />
• Ωk<br />
Ω<br />
= Ω<br />
→<br />
i 2<br />
k<br />
l’expression finale de l’accélération sera :<br />
→<br />
i 2<br />
k<br />
→<br />
−→<br />
i<br />
Ω<br />
−→<br />
i<br />
d<br />
γ ( P)<br />
= − IP Ω<br />
+<br />
∧ IP<br />
dt<br />
Accélération normale<br />
Accélération tangentielle<br />
suivant<br />
→<br />
−→<br />
IP<br />
• →<br />
i<br />
En remplaçant Ω = ψ z , IP r x et<br />
respectives<br />
→<br />
• →<br />
k<br />
k<br />
−→ →<br />
=<br />
k<br />
i<br />
2<br />
γ ( P)<br />
= − rψ<br />
x + rψ<br />
y = γ ( P)<br />
+ γ ( P)<br />
k<br />
••<br />
→<br />
k<br />
→<br />
n<br />
→<br />
t<br />
d<br />
i<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Ω<br />
dt<br />
→<br />
i<br />
k<br />
au point P<br />
••<br />
→<br />
= ψ z par leur expressions<br />
Les expressions de la vitesse et de l’accélération peuvent s’exprimer facilement dans le repère<br />
k<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( O , x , y , z<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
)<br />
en déterminant la matrice de passage du repère R vers le repère R :<br />
i<br />
k<br />
PRk<br />
→ Ri<br />
237
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
x<br />
k<br />
= cosψ<br />
xi<br />
+ sinψ<br />
yi<br />
+ 0.<br />
zi<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
y<br />
k<br />
= −sinψ<br />
xi<br />
+ cosψ<br />
yi<br />
+ 0.<br />
zi<br />
→ → → →<br />
x<br />
k<br />
= 0 . xi<br />
+ 0.<br />
yi<br />
+ zi<br />
⎡ cosψ<br />
sinψ<br />
0⎤<br />
d’où P<br />
⎢<br />
⎥<br />
Rk →Ri<br />
=<br />
⎢<br />
− sinψ<br />
cosψ<br />
0<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
0 0 1⎥⎦<br />
La vitesse et l’accélération, aurons pour expression dans :<br />
R i<br />
→<br />
y<br />
k<br />
ψ<br />
→<br />
z i ≡<br />
→<br />
z<br />
→<br />
y<br />
i<br />
k<br />
ψ<br />
→<br />
x k<br />
→<br />
x<br />
i<br />
→<br />
i<br />
V ( P)<br />
→<br />
i<br />
γ ( P)<br />
→<br />
i<br />
γ (<br />
• → •<br />
→<br />
→ • → • →<br />
= rψ<br />
yk<br />
= rψ<br />
( −sinψ<br />
xi<br />
+ cosψ<br />
yi<br />
) = −rψ<br />
sinψ<br />
xi<br />
+ rψ<br />
cosψ<br />
yi<br />
• → •• →<br />
•<br />
→<br />
→ ••<br />
→<br />
→<br />
2<br />
= − rψ<br />
xk<br />
+ rψ<br />
yk<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
2<br />
= −rψ<br />
(cosψ<br />
x + sinψ<br />
y ) + rψ<br />
( −sinψ<br />
x + cosψ<br />
y )<br />
•<br />
•• → •<br />
••<br />
→<br />
2<br />
2<br />
P ) = − r(<br />
ψ cosψ<br />
+ ψ sinψ<br />
) xi<br />
+ r(<br />
−ψ<br />
sinψ<br />
+ ψ cosψ<br />
) yi<br />
9.3. Mouvement hélicoïdal (rotation + translation)<br />
Un solide ( ) lié à un repère R ( O , x , y , z ) décrit un mouvement hélicoïdal par rapport à<br />
S k<br />
un repère fixe R ( O , x , y , z ) si :<br />
i<br />
i<br />
→<br />
i<br />
→<br />
i<br />
→<br />
i<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
- Un axe du repère R ( O , x , y , z ) reste en coïncidence à tout instant avec un axe du<br />
k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
k<br />
repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( O , x , y , z )<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
- La coordonnée du point O ) centre du repère R ( O , x , y , z ) suivant l’axe de<br />
(<br />
k<br />
k<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
→<br />
k<br />
coïncidence, est proportionnelle à l’angle de rotation du repère<br />
R ( O<br />
k<br />
k<br />
→<br />
, x<br />
k<br />
→<br />
, y<br />
k<br />
→<br />
, z<br />
k<br />
)<br />
par<br />
rapport au repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( O , x , y , z<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
i<br />
)<br />
au cours du mouvement de rotation.<br />
−−−→<br />
→<br />
→<br />
i k<br />
=<br />
i<br />
k<br />
Nous avons alors : O O λ ψ ( t)<br />
z = λ ψ ( t)<br />
z , le scalaire<br />
mouvement hélicoïdal le long de l’axe de coïncidence.<br />
Nous avons deux mouvements qui se superposent :<br />
λ représente le pas du<br />
→ →<br />
- Un mouvement de translation le long de l’axe commun z i ≡ z ;<br />
→ →<br />
- Un mouvement de rotation autour de ce même axe z i ≡ z .<br />
k<br />
k<br />
238
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Soit P un point du solide, nous avons à chaque instant :<br />
−−−→<br />
−−−→<br />
−−−→<br />
O P = O O + O P<br />
i<br />
i<br />
k<br />
k<br />
−−−→<br />
Le vecteur OiO k<br />
s’écrit dans le repère Ri<br />
:<br />
⎧ 0<br />
−−−→<br />
⎪<br />
OiOk<br />
= ⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩λψ<br />
( t)<br />
i<br />
⎧a<br />
−−−→<br />
−−−→<br />
⎪<br />
Le vecteur O k<br />
P s’écrit dans le repère R k<br />
: Ok<br />
P=<br />
⎨b<br />
et dan<br />
⎪<br />
R ⎩c<br />
k<br />
Ri<br />
⎧a<br />
cosψ<br />
( t)<br />
−−−→<br />
⎪<br />
Ok<br />
P=<br />
⎨bsinψ<br />
( t)<br />
⎪<br />
R ⎩ c<br />
i<br />
−−−→<br />
O i<br />
La somme des deux vecteurs nous donne le vecteur P dans le repère R :<br />
⎧a<br />
cosψ<br />
( t)<br />
−−−→<br />
⎪<br />
Oi<br />
P=<br />
⎨bsinψ<br />
( t)<br />
⎪<br />
R ⎩c<br />
+ λψ (t)<br />
i<br />
i<br />
La vitesse et l’accélération du point P dans le repère<br />
dérivation dans le même repère :<br />
R i<br />
se déduisent facilement par<br />
→<br />
i<br />
V ( P)<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
−−→<br />
⎪ − aψ<br />
sinψ<br />
( t)<br />
i<br />
d O<br />
•<br />
i<br />
P<br />
= ⎨ bψ<br />
cosψ<br />
( t)<br />
dt<br />
•<br />
⎪<br />
⎪ λψ (t)<br />
R ⎩<br />
i<br />
et<br />
→<br />
i<br />
γ ( P)<br />
=<br />
⎧<br />
••<br />
•<br />
2<br />
→ ⎪−<br />
aψ<br />
sinψ<br />
( t)<br />
− aψ<br />
cosψ<br />
( t)<br />
i i<br />
••<br />
•<br />
d V ( P)<br />
⎪<br />
2<br />
= ⎨ bψ<br />
cosψ<br />
( t)<br />
− bψ<br />
sinψ<br />
( t)<br />
dt<br />
••<br />
⎪<br />
⎪ λψ (t)<br />
R ⎩<br />
i<br />
239
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 06: Simulateur de vol<br />
Pour simuler les conditions de vol des avions, les ingénieurs ont conçu un appareil spécial<br />
pour l’entraînement des pilotes qui consiste en un bras (1) en rotation dans le plan horizontal<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
tel que : R O,<br />
x , y , z ) : repère fixe ;<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ →<br />
0<br />
≡ z 1<br />
→ → → →<br />
(<br />
0 1 0<br />
y1<br />
R O,<br />
x , y , z ) :repère mobile lié au bras, avec z et x , x ) = ( y , ) = ψ sens positif ;<br />
Un cockpit (2) en rotation autour de l’axe tel que x et ( y y ) = ( z , ) = θ sens<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
positif ; R B,<br />
x , y , z ) : repère lié au cockpit avec OB = R.<br />
→<br />
x 1<br />
→ →<br />
1<br />
≡ x 2<br />
Un siège-pilote (3) en rotation autour de l’axe tel que : y et (<br />
→<br />
y 2<br />
→ →<br />
2<br />
≡ y 3<br />
→ → → →<br />
1, 2 1<br />
z2<br />
→ → → →<br />
x2 , x3<br />
) = ( z2<br />
, z3<br />
)<br />
= ϕ<br />
sens positif.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R3<br />
( B,<br />
x3,<br />
y3,<br />
z3<br />
)<br />
: repère lié au siège-pilote. Le pilote est lié au siège, sa tête<br />
−−→ →<br />
=<br />
3<br />
est repéré par le vecteur position BT L z .<br />
Tous ces éléments sont en rotation contrôlée par l’ordinateur pour simuler les différentes<br />
manœuvres. Il a fallu faire des calculs pour déterminer les paramètres cinématiques afin de les<br />
varier de façon sensée pour savoir à quelles accélérations seront soumis les pilotes.<br />
Vous êtes l’ingénieur responsable de ces calculs, il vous est demandé de :<br />
1) Etablir les figures planes représentatives des trois rotations et les matrices de passages<br />
correspondantes ;<br />
2) Trouver le vecteur position du point T, ainsi que le vecteur rotation du siège pilote par<br />
rapport à R 0 ;<br />
3) Déterminer le vecteur vitesse absolue du point T par composition de mouvement et par la<br />
cinématique du solide.<br />
4) Déterminer l’accélération absolue du point T par composition de mouvement.<br />
On prendra R 2 comme repère de projection<br />
→<br />
z<br />
O<br />
0<br />
•<br />
ψ<br />
ψ<br />
→<br />
x 0<br />
R<br />
1<br />
→<br />
y 0<br />
θ<br />
3<br />
ϕ<br />
B<br />
2<br />
→<br />
x 1<br />
256
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
1. Figures planes des trois rotations et les matrices de passages correspondantes ;<br />
a) Rotation du bras<br />
Nous avons : OB = R et x , y , z ) un repère fixe. R : étant le repère de projection on<br />
exprimera toute les données dans ce repère.<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ → →<br />
R0<br />
(<br />
0 0 0<br />
2<br />
→ → → →<br />
x0 , x1<br />
) = ( y0<br />
, y1<br />
R x , y , z ) : en rotation / à tel que : z et ( ) = ψ sens positif<br />
R 0<br />
→ →<br />
0<br />
≡ z 1<br />
Matrice de passage de<br />
R vers R1<br />
→<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ x0<br />
⎟ ⎛cosψ<br />
− sinψ<br />
0⎞⎜<br />
x1<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎟⎜<br />
→<br />
⎜ y0<br />
⎟ = ⎜ sinψ<br />
cosψ<br />
0⎟⎜<br />
y1<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟<br />
→<br />
⎜<br />
z<br />
⎝ 0 0 1⎠<br />
⎟ ⎟⎟⎟⎟ 0<br />
z1<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
P<br />
R 0→ R 1<br />
0<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
O<br />
→<br />
x 0<br />
ψ<br />
ψ<br />
→<br />
x 1<br />
→<br />
y<br />
1<br />
→<br />
y<br />
0<br />
a) Rotation du cockpit<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
R 1<br />
→ →<br />
1<br />
≡ x 2<br />
→ → → →<br />
(<br />
1 2 1<br />
z2<br />
R B,<br />
x , y , z ) : en rotation / tel que x et y , y ) = ( z , ) = θ sens positif ;<br />
Matrice de passage de R1<br />
vers R2<br />
→<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ x1<br />
⎟ ⎛1<br />
0 0 ⎞⎜<br />
x2<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎟⎜<br />
→<br />
⎜ y1<br />
⎟ = ⎜0<br />
cosθ<br />
− sinθ<br />
⎟⎜<br />
y2<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟<br />
→<br />
⎜<br />
z<br />
⎝0<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
⎠<br />
⎟ ⎟⎟⎟⎟ 1<br />
z2<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
→ →<br />
x 1 ≡ x 2<br />
B<br />
θ<br />
θ<br />
→<br />
z<br />
2<br />
→<br />
z 1<br />
P<br />
R 1→<br />
R 2<br />
→<br />
y 1<br />
→<br />
y 2<br />
a) Rotation du siège pilote<br />
→ → →<br />
3<br />
(<br />
3 3 3<br />
→ →<br />
2<br />
≡ y 3<br />
→ → → →<br />
(<br />
2 3 2<br />
z3<br />
R B,<br />
x , y , z ) en rotation / tel que : y et x , x ) = ( z , ) = ϕ sens positif.<br />
Matrice de passage de<br />
R vers R2<br />
→<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ x3<br />
⎟ ⎛cosϕ<br />
0 − sinϕ<br />
⎞⎜<br />
x2<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎟⎜<br />
→<br />
⎜ y3<br />
⎟ = ⎜ 0 1 0 ⎟⎜<br />
y2<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟<br />
→<br />
⎜<br />
z<br />
⎝ sinϕ<br />
0 cosϕ<br />
⎠<br />
⎟ ⎟⎟⎟⎟ 3<br />
z2<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
P<br />
R 3→ R 2<br />
3<br />
→ →<br />
y 2 ≡ y 3<br />
→<br />
z 2<br />
B<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
→<br />
z 3<br />
→<br />
x<br />
3<br />
→<br />
x<br />
2<br />
257
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2. Vecteur position du point T par rapport à R0<br />
exprimé dans R2<br />
Nous avons :<br />
−→<br />
OT<br />
−→<br />
−→<br />
= OB+<br />
BT , sachant que<br />
−→<br />
BT<br />
→<br />
= L z3<br />
⎧R<br />
−→<br />
⎪<br />
OB=<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R R ⎩0<br />
1 , 2<br />
⎧0<br />
⎧Lsinϕ<br />
−→<br />
⎪ ⎪<br />
; BT = ⎨0<br />
= ⎨ 0 d’où :<br />
⎪ ⎪<br />
R ⎩L<br />
R ⎩L<br />
cosϕ<br />
3<br />
2<br />
⎧ R + Lsinϕ<br />
−→<br />
⎪<br />
OT = ⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩ L cosϕ<br />
2<br />
Vecteur rotation du siège pilote :<br />
→ → → → • → • → • →<br />
0 2 1 0<br />
Ω3 = Ω3<br />
+ Ω<br />
2<br />
+ Ω1<br />
= y2<br />
+ θ x2<br />
+ ψ z1<br />
ϕ ;<br />
Par la matrice de passage de vers R le vecteur ‘écrit :<br />
R1<br />
2<br />
→<br />
z 1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z1 = sinθ<br />
y2<br />
+ cosθ<br />
z2<br />
→ • → • → •<br />
→<br />
→ • → • •<br />
→ • →<br />
0<br />
⎛<br />
⎞ ⎛ ⎞<br />
Ω<br />
3<br />
= ϕ y2<br />
+ θ x2<br />
+ ψ ⎜sinθ<br />
y2<br />
+ cosθ<br />
z2<br />
⎟ = θ x2<br />
+ ⎜ϕ<br />
+ ψ sinθ<br />
⎟ y2<br />
+ ψ cosθ<br />
z2<br />
→<br />
0<br />
3<br />
Ω<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
θ<br />
• •<br />
= ⎨ϕ<br />
+ ψ sinθ<br />
•<br />
⎪<br />
R<br />
⎪ψ<br />
cosθ<br />
⎩<br />
2<br />
⎝<br />
⎠<br />
⎝<br />
⎠<br />
3. Vecteur vitesse du point T<br />
3.1. Par composition de mouvement<br />
→<br />
V<br />
abs<br />
→<br />
0<br />
2<br />
0<br />
= V + V ⇔ V ( T ) = V ( T ) + V ( T )<br />
rel<br />
→<br />
ent<br />
→<br />
→<br />
→<br />
2<br />
La vitesse relative est donnée par :<br />
→<br />
2<br />
V<br />
−→<br />
2<br />
d BT<br />
( T ) =<br />
dt<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
Lϕ<br />
cosϕ<br />
⎨ 0<br />
•<br />
⎪−<br />
Lϕ<br />
sinϕ<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
La vitesse relative s’écrit :<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
V2 ( T ) V ( O)<br />
→<br />
0<br />
2<br />
−→<br />
= + Ω ∧ OT<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
θ<br />
→<br />
•<br />
0<br />
V<br />
2<br />
( T ) = ⎨ψ<br />
sinθ<br />
•<br />
⎪<br />
⎪ψ<br />
cosθ<br />
R ⎩<br />
2<br />
∧<br />
⎧ R + Lsinϕ<br />
⎪<br />
⎨ 0 =<br />
⎪<br />
R ⎩ L cosϕ<br />
2<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
Lψ<br />
sinθ<br />
cosϕ<br />
•<br />
•<br />
⎨−<br />
Lθ<br />
cosϕ<br />
+ ψ<br />
•<br />
⎪<br />
⎪ −ψ<br />
sinθ<br />
R ⎩<br />
2<br />
cosθ<br />
( R + Lsinϕ<br />
)<br />
( R + Lsinϕ<br />
)<br />
258
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
En faisant la somme on obtient :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( T ) =<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
Lϕ<br />
cosϕ<br />
+ Lψ<br />
sinθ<br />
cosϕ<br />
•<br />
•<br />
⎨−<br />
Lθ<br />
cosϕ<br />
+ ψ cosθ<br />
•<br />
•<br />
⎪<br />
⎪−<br />
Lϕ<br />
sinϕ<br />
−ψ<br />
sinθ<br />
R ⎩<br />
2<br />
3.2. Par la cinématique du solide<br />
( R + Lsinϕ<br />
)<br />
( R + Lsinϕ<br />
)<br />
La vitesse relative s’écrit :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
3<br />
−→<br />
( T ) = V ( B)<br />
+ Ω ∧ BT<br />
Nous avons :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
( B)<br />
= V<br />
→<br />
0<br />
2<br />
( O)<br />
+ Ω<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
θ<br />
−→ •<br />
∧ OB=<br />
⎨ψ<br />
sinθ<br />
•<br />
⎪<br />
R<br />
⎪ψ<br />
cosθ<br />
⎩<br />
2<br />
∧<br />
⎧R<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
2<br />
=<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
•<br />
⎨ Rψ<br />
cosθ<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩−<br />
Rψ<br />
sinθ<br />
2<br />
→<br />
0<br />
Ω3<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
θ<br />
−→ • •<br />
∧ BT = ⎨ϕ<br />
+ ψ sinθ<br />
∧<br />
•<br />
⎪<br />
⎪ ψ cosθ<br />
R ⎩<br />
2<br />
⎧Lsinϕ<br />
⎪<br />
⎨ 0 =<br />
⎪<br />
R ⎩L<br />
cosϕ<br />
2<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
Lϕ<br />
cosϕ<br />
+ Lψ<br />
sinθ<br />
cosϕ<br />
•<br />
•<br />
⎨−<br />
Lθ<br />
cosϕ<br />
+ Lψ<br />
cosθ<br />
sinϕ<br />
•<br />
•<br />
⎪<br />
⎪ − Lϕ<br />
sinϕ<br />
−ψ<br />
sinθ<br />
sinϕ<br />
R ⎩<br />
2<br />
La somme des deux expressions donne :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( T ) =<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
Lϕ<br />
cosϕ<br />
+ Lψ<br />
sinθ<br />
cosϕ<br />
•<br />
•<br />
⎨−<br />
Lθ<br />
cosϕ<br />
+ ψ cosθ<br />
•<br />
•<br />
⎪<br />
⎪−<br />
Lϕ<br />
sinϕ<br />
−ψ<br />
sinθ<br />
R ⎩<br />
2<br />
( R + Lsinϕ<br />
)<br />
( R + Lsinϕ<br />
)<br />
4. Accélération absolue du point T par composition de mouvement<br />
Son expression est donnée par la relation suivante : γ ( T ) = γ ( T ) + γ ( T ) + γ ( T )<br />
→<br />
abs<br />
→<br />
rel<br />
→<br />
ent<br />
→<br />
coriolis<br />
→<br />
0<br />
→<br />
2<br />
0<br />
γ ( T)<br />
= γ ( T)<br />
+ γ ( T)<br />
+ γ<br />
→<br />
2<br />
→<br />
c<br />
( T)<br />
Explicitons chacun des termes de cette relation :<br />
259
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
260<br />
A.KADI<br />
(1) :<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
−<br />
==<br />
•<br />
••<br />
•<br />
••<br />
→<br />
→<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
γ<br />
cos<br />
sin<br />
0<br />
sin<br />
cos<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
L<br />
L<br />
L<br />
L<br />
R<br />
dt<br />
T<br />
V<br />
d<br />
T<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∧<br />
Ω<br />
∧<br />
+ Ω<br />
∧<br />
Ω<br />
+<br />
=<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
OT<br />
OT<br />
dt<br />
d<br />
O<br />
T<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
0<br />
2 )<br />
(<br />
)<br />
( γ<br />
γ<br />
→<br />
→<br />
= 0<br />
)<br />
(<br />
0<br />
O<br />
γ<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧ +<br />
∧<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
+<br />
=<br />
∧<br />
Ω<br />
=<br />
∧<br />
Ω<br />
•<br />
•<br />
••<br />
•<br />
•<br />
••<br />
••<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
θ<br />
ψ θ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
ψ θ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
cos<br />
0<br />
sin<br />
sin<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
L<br />
L<br />
R<br />
R<br />
R<br />
OT<br />
dt<br />
d<br />
OT<br />
dt<br />
d<br />
(2) : ( )<br />
( )<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
+<br />
−<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
−<br />
+<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
=<br />
∧<br />
Ω<br />
•<br />
•<br />
••<br />
•<br />
•<br />
••<br />
••<br />
•<br />
•<br />
••<br />
−→<br />
→<br />
L<br />
R<br />
L<br />
R<br />
L<br />
L<br />
R<br />
OT<br />
dt<br />
d<br />
θ<br />
ψ θ<br />
θ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
θ<br />
ψ θ<br />
θ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
θ<br />
θ<br />
ψ θ<br />
θ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
cos<br />
sin<br />
sin<br />
sin<br />
cos<br />
sin<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
cos<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧ +<br />
∧<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
∧<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
⎟=<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∧<br />
Ω<br />
∧<br />
Ω<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
cos<br />
0<br />
sin<br />
cos<br />
sin<br />
cos<br />
sin<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2<br />
L<br />
L<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
OT<br />
( )<br />
( )<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
+<br />
−<br />
+<br />
+<br />
−<br />
∧<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
⎟=<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∧<br />
Ω<br />
∧<br />
Ω<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
L<br />
R<br />
L<br />
R<br />
L<br />
L<br />
R<br />
R<br />
OT<br />
ϕ<br />
θ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
θ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
θ<br />
θ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
sin<br />
sin<br />
sin<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
(3) :<br />
→ →<br />
⎛<br />
−→<br />
0 0<br />
Ω<br />
2<br />
∧ ⎜Ω<br />
2<br />
∧ OT<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎟=<br />
⎠<br />
•<br />
⎧<br />
• •<br />
2<br />
⎪−ψ<br />
( R + Lsinϕ<br />
) + Lψ θ cosϕ<br />
cosθ<br />
• •<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
⎨ψ θ sinθ<br />
( R + Lsinϕ<br />
) + Lψ<br />
cosϕ<br />
cosθ<br />
sinθ<br />
•<br />
•<br />
⎪<br />
• •<br />
2<br />
2<br />
2<br />
⎪−<br />
Lθ<br />
cosϕ<br />
+ ψ θ cosθ<br />
( R + Lsinϕ<br />
) − Lψ<br />
cosϕ<br />
sin θ<br />
R ⎩<br />
2<br />
→<br />
γ<br />
c<br />
→ →<br />
⎛ 0 2<br />
( T ) = 2⎜Ω<br />
∧V<br />
(<br />
⎝<br />
2<br />
T<br />
⎞<br />
) ⎟<br />
⎠<br />
(4) :<br />
→<br />
γ<br />
c<br />
( T ) = 2<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
θ<br />
•<br />
⎨ψ<br />
sinθ<br />
•<br />
⎪<br />
R<br />
⎪ψ<br />
cosθ<br />
⎩<br />
2<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
Lϕ<br />
cosϕ<br />
∧ ⎨ 0 =<br />
•<br />
⎪<br />
− Lϕ<br />
sinϕ<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
• •<br />
⎧<br />
⎪<br />
− 2Lψ ϕ sinθ<br />
sinϕ<br />
• •<br />
• •<br />
⎨2ϕθ<br />
sinϕ<br />
+ 2Lψ ϕ cosθ<br />
cosϕ<br />
• •<br />
⎪<br />
⎪ − 2Lψ ϕ sinθ<br />
cosϕ<br />
R ⎩<br />
2<br />
La somme de ces expressions donne l’accélération absolue du point T<br />
→<br />
0<br />
γ ( T ) =<br />
(1) +(2) +(3) + (4)<br />
261
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 10 :<br />
Soit un système constitué de deux solides (S 1 ) lié au repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→ → →<br />
1( C,<br />
x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
→ →<br />
et (S2) lié au<br />
repère R<br />
2( C,<br />
x2,<br />
y2,<br />
z2)<br />
en mouvement par rapport à un repère fixe R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
(S 1 ) : est une barre de longueur L, de masse m dont l’extrémité A glisse sur un mur et l’autre<br />
extrémité B est articulée au disque ;<br />
(S 2 ) : est un disque de masse M et de rayon R qui roule sans<br />
glisser sur un plan horizontal tel que représenté sur la figure ci-dessous.<br />
1. Déterminer la relation exprimant le non glissement du disque sur le plan au point I ;<br />
2. Déterminer le centre instantané de rotation (C.I.R.) de la barre :<br />
a) Géométriquement<br />
b) Analytiquement.<br />
R<br />
→<br />
→<br />
y<br />
1<br />
A<br />
→<br />
y 0<br />
θ<br />
→<br />
y 0<br />
α<br />
→<br />
y 2<br />
O<br />
I<br />
C<br />
→<br />
x 0<br />
→<br />
x 0<br />
Solution :<br />
⎧Lsinθ<br />
→ → →<br />
−→<br />
⎪<br />
R<br />
0<br />
( x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
) : repère fixe ; OC = ⎨ R ; OI<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
0<br />
−→<br />
=<br />
→ → → →<br />
(<br />
0 1 0 1<br />
⎧Lsinθ<br />
⎪<br />
⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
R C,<br />
x , y , z ) : lié à la barre; tel que : θ = x , x ) = ( y , y ) et Ω<br />
→ → →<br />
2( 2 2 2<br />
→ → → →<br />
(<br />
0 2 0 2<br />
R C,<br />
x , y , z ) : lié au disque ; tel que : α = x , x ) = ( y , y ) et Ω<br />
1. Condition de roulement sans glissement<br />
0<br />
→ • → • →<br />
0<br />
1<br />
= θ z1<br />
= θ z0<br />
→ • → • →<br />
0<br />
2<br />
= −α z1<br />
= −α<br />
z0<br />
La condition de non glissement du disque sur le plan est vérifiée si, la vitesse du point I<br />
→<br />
appartenant au disque est nulle : V ( I ∈ disque) = 0 par la cinématique du solide écrire :<br />
→<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
2<br />
−→<br />
→<br />
( I)<br />
= V ( C)<br />
+ Ω ∧ CI = 0<br />
avec :<br />
→<br />
0<br />
V ( C)<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
−→<br />
⎪<br />
Lθ cosθ<br />
0<br />
d OC<br />
= ⎨ 0<br />
dt ⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
0<br />
268
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
•<br />
⎧<br />
L<br />
⎪<br />
θ cosθ<br />
⎨ 0<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
0<br />
+<br />
⎧ 0 ⎧ 0<br />
⎪ ⎪<br />
⎨ 0 ∧ ⎨−<br />
R<br />
•<br />
⎪ ⎪<br />
R ⎩−α<br />
R ⎩ 0<br />
0<br />
0<br />
=<br />
R<br />
0<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
⎩0<br />
•<br />
•<br />
⇔ Lθ cos θ − Rα<br />
= 0<br />
2. Centre instantané de rotation de la barre<br />
a) Gométriquement<br />
Soit I b<br />
le centre de rotation instantanée (C.I.R.) de la barre .<br />
Sa position est repéré en traçant deux droites, l’une perpendiculaire à la vitesse V 0 ( A)<br />
au<br />
point A et l’autre perpendiculaire à V<br />
droites est le (C.I.R.) de la barre.<br />
→<br />
0 ( C<br />
) au point C. Le point d’intersection de ces deux<br />
→<br />
y 0<br />
→<br />
A<br />
I<br />
b<br />
V →<br />
(A)<br />
C<br />
V → (C)<br />
O<br />
I<br />
→<br />
x<br />
0<br />
En effet nous avons :<br />
→<br />
→<br />
→ −→ → →<br />
→ −→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
V ( I<br />
b<br />
) = V ( A)<br />
+ Ω1<br />
∧ AI b<br />
= 0 ⇔ V ( A)<br />
= Ω1<br />
∧ I<br />
b<br />
A ⇒<br />
→<br />
→<br />
→ −→ → →<br />
→ −→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
V ( I<br />
b<br />
) = V ( C)<br />
+ Ω1<br />
∧ CI b<br />
= 0 ⇔ V ( C)<br />
= Ω1<br />
∧ I<br />
bC<br />
⇒<br />
a) Analytiquement<br />
⎧x<br />
−→<br />
⎪<br />
Soit OI<br />
b<br />
= ⎨y<br />
⇒ CI<br />
⎪<br />
R ⎩z<br />
0<br />
−→<br />
b<br />
⎧x<br />
− Lsinθ<br />
⎪<br />
= ⎨ y − R<br />
⎪<br />
R ⎩ z<br />
0<br />
→<br />
⎧<br />
⎪V<br />
⎨ →<br />
⎪<br />
⎩V<br />
0<br />
0<br />
→<br />
⎧<br />
⎪V<br />
⎨→<br />
⎪<br />
⎩V<br />
( A)<br />
⊥Ω<br />
( A)<br />
⊥ I<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
b<br />
( C)<br />
⊥Ω<br />
A<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
( C)<br />
⊥ I C<br />
0<br />
b<br />
On sait que : V<br />
→<br />
0<br />
( I<br />
→<br />
→ −→<br />
0<br />
0<br />
b<br />
) V ( C)<br />
+ Ω1<br />
∧ CI b<br />
→<br />
= = 0<br />
269
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
Ω<br />
2<br />
−→<br />
V ( C)<br />
+ ∧ CI b<br />
= 0 ⇔<br />
→<br />
•<br />
⎧<br />
L<br />
⎪<br />
θ cosθ<br />
⎨ 0<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
0<br />
+<br />
⎧0<br />
⎧x<br />
− Lsinθ<br />
⎪ ⎪<br />
⎨0<br />
∧ ⎨ y − R<br />
•<br />
⎪ ⎪<br />
R ⎩θ<br />
R ⎩ z<br />
0<br />
0<br />
=<br />
R<br />
0<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
⎩0<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
Lθ<br />
cosθ<br />
− ( y − R)<br />
θ = 0<br />
•<br />
⎨(<br />
x − Lsinθ<br />
) θ = 0<br />
z<br />
R ⎪⎪ = 0<br />
⎩<br />
0<br />
⇔<br />
⎧y<br />
= R + L cosθ<br />
⎪<br />
x L<br />
R ⎪ ⎨ = sinθ<br />
⎩ z = 0<br />
0<br />
Exercice 11 :<br />
Soit<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
) un repère fixe lié à un demi cylindre creux de rayon R, sur lequel se<br />
déplace une barre de longueur 2L. Le mouvement se fait dans le plan vertical (xOy). La barre<br />
est en contact permanent avec le demi cylindre en deux points, l’extrémité A en contact avec<br />
la surface du cylindre et le point C avec son bord.<br />
1. Déterminer les coordonnées du centre instantané de rotation (C.I.R.) géométriquement ;<br />
2. Retrouver les coordonnées du centre instantané de rotation (C.I.R.) analytiquement ;<br />
3. En déduire la vitesse du point C de la barre.<br />
→<br />
x<br />
1<br />
→<br />
x<br />
0<br />
B<br />
Solution :<br />
C<br />
α<br />
→<br />
x 1<br />
1. Coordonnées du C.I.R. géométriquement :<br />
O<br />
→<br />
y<br />
0<br />
R<br />
A<br />
D<br />
→<br />
x 0<br />
B →<br />
V 0 ( C)<br />
C<br />
α<br />
D<br />
→<br />
0 ( C<br />
(C.I.R.)<br />
I<br />
2α<br />
α<br />
O<br />
→<br />
y<br />
0<br />
2α<br />
α<br />
α<br />
R<br />
A<br />
→<br />
V 0 ( A)<br />
→<br />
0 ( A<br />
La vitesse du point A est tangente au cercle de rayon R. On trace la perpendiculaire à V ) ,<br />
elle passe par le point O et elle rencontre la perpendiculaire à V ) au point I. La vitesse du<br />
point C est portée par la barre.<br />
270
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le triangle CAI est rectangle en C car il est inscrit à l’intérieur d’un cercle de diamètre CI.<br />
Le triangle COA est isocèle : OC = OA= R , les angles ( CO , CA)<br />
= ( AO,<br />
AC)<br />
= ( AD,<br />
AC)<br />
= α<br />
Le triangle COI est isocèle : OC = OI = R , les angles ( CO , CI ) = ( IO,<br />
IC)<br />
= 2α<br />
On déduit facilement les coordonnées du point I tel que :<br />
−→<br />
OI =<br />
R<br />
0<br />
⎧xI<br />
⎨<br />
⎩ yI<br />
= R cos 2α<br />
= Rsin 2α<br />
2. Coordonnées du C.I.R. analytiquement :<br />
On sait que la vitesse du centre instantané de rotation (C.I.R.) de la barre est nul :<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
→<br />
V ( I)<br />
= V ( A)<br />
+ Ω ∧ AI = 0 ; Déterminons d’abord la vitesse du point A :<br />
−→<br />
=<br />
Nous avons : OA<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
2Rα<br />
sin 2α<br />
•<br />
⎨−<br />
2Rα<br />
cos 2α<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
0<br />
R<br />
0<br />
⎧−<br />
⎪<br />
⎨−<br />
⎪<br />
⎩<br />
+<br />
R cos 2α<br />
Rsin 2α<br />
⇒<br />
R<br />
0<br />
0<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
⎩α<br />
∧<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
2Rα<br />
sin 2α<br />
−→<br />
•<br />
0<br />
V ( A)<br />
= ⎨−<br />
2Rα<br />
cos 2α<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
⎧xI<br />
+ R cos 2α<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨ yI<br />
+ Rsin 2α<br />
= ⎨0<br />
⎪<br />
⎪<br />
R ⎩ 0 R ⎩0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
et<br />
−→<br />
=<br />
AI<br />
R<br />
0<br />
⎧xI<br />
⎪<br />
⎨ yI<br />
⎪<br />
⎩<br />
+ R cos 2α<br />
+ Rsin 2α<br />
0<br />
•<br />
− •<br />
α<br />
2 Rα<br />
sin 2α<br />
α( yI + Rsin 2 ) = 0 ⇒ y I<br />
= Rsin 2α<br />
•<br />
•<br />
− 2 Rα cos 2α<br />
+ α( xI + R cos 2α<br />
) = 0 ⇒ x I<br />
= R cos2α<br />
3. Vitesse du point C de la barre<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
Nous avons : V ( C)<br />
= V ( I ) + Ω ∧ IC ; or :<br />
→<br />
→<br />
1<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
V 0 ( I)<br />
= 0<br />
⎧0<br />
→<br />
→ −→<br />
0<br />
0 ⎪<br />
V ( C)<br />
= Ω1<br />
∧ IC=<br />
⎨0<br />
∧<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩α<br />
0<br />
R<br />
0<br />
⎧ R − R cos 2α<br />
⎪<br />
⎨−<br />
Rsin 2α<br />
⎪<br />
⎩ 0<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
Rα<br />
sin 2α<br />
•<br />
= ⎨Rα<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
0<br />
( 1−<br />
cos 2α<br />
)<br />
271
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 12 :<br />
Soit un système constitué d’un cylindre fixe de rayon R lié au repère R O,<br />
x , y , z ) et d’un<br />
disque de masse m de rayon r lié au repère<br />
autour du cylindre comme représenté sur la figure ci-dessous. Déterminer :<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
1. La matrice d’inertie du disque au point O, dans le repère R O,<br />
x , y , z );<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R2<br />
( B,<br />
x2<br />
, y2<br />
, z2<br />
) en mouvement de rotation<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
• •<br />
2. La relation entre ψ et ϕ exprimant la condition de non glissement du disque au point I ;<br />
3. La vitesse et l’accélération du point M par composition de mouvement.<br />
→<br />
y<br />
0<br />
ψ<br />
r<br />
C<br />
I<br />
→<br />
y 1<br />
θ<br />
→<br />
y 2<br />
R<br />
O<br />
→<br />
x 0<br />
Exercice 13 :<br />
Un cône homogène de hauteur h, de rayon de base R est en mouvement de rotation autour de<br />
→<br />
•<br />
l’axe vertical z0<br />
d’un repère orthonormé fixe, avec une vitesse angulaire ψ = Cte . L’axe<br />
principal du cône est incliné d’un angle<br />
β constant par rapport à cet axe. Le cône tourne<br />
•<br />
aussi autour de son axe principal avec une vitesse angulaire θ = Cte<br />
figure ci-dessous. Le repère<br />
R 2<br />
est le repère relatif.<br />
comme représenté sur la<br />
On prendra aussi le repère<br />
R 2<br />
comme repère de projection.<br />
Déterminer :<br />
1. Les matrices de passage de vers et de vers R ;<br />
R1<br />
R2<br />
R3<br />
2<br />
2. La vitesse et l’accélération du point C par dérivation ;<br />
3. La vitesse et l’accélération du point M par composition de mouvement ;<br />
272
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
x<br />
0<br />
•<br />
ψ<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
O<br />
ψ<br />
β<br />
C<br />
I<br />
→ →<br />
x 1 ≡ x 2<br />
•<br />
θ<br />
ψ<br />
M<br />
→<br />
y<br />
1<br />
→ →<br />
z 1 ≡ z 2<br />
→<br />
y 0<br />
→<br />
z 1<br />
O<br />
β<br />
→<br />
z 2<br />
β<br />
→<br />
y 2<br />
→<br />
y 1<br />
→<br />
y 3<br />
θ<br />
→<br />
y<br />
2<br />
R<br />
C<br />
M<br />
θ<br />
→<br />
x 3<br />
→<br />
x 2<br />
Solution :<br />
1. Les matrices de passage de vers et de vers R ;<br />
R1<br />
R2<br />
R3<br />
2<br />
→ → →<br />
R0<br />
(<br />
0 0 0<br />
2<br />
Nous avons : OC = h et x , y , z ) un repère fixe et R : le repère de projection.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R1<br />
( x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
→ → → → → →<br />
→ • → • → •<br />
0<br />
: tel que : z 0 ≡ z 1<br />
et ( x0 , x1<br />
) = ( y0<br />
, y1)<br />
= ψ avec Ω<br />
1<br />
= ψ z0<br />
= ψ z1<br />
, ψ = Cte<br />
→ → →<br />
→ → → → → →<br />
→ → •<br />
1<br />
R<br />
2<br />
( x2<br />
, y2<br />
, z2<br />
) : tel que : x 1 ≡ x 2<br />
et ( y<br />
1,<br />
y2<br />
) = ( z1,<br />
z2<br />
) = β = Cte avec Ω<br />
2<br />
= 0 , β = 0<br />
→ → →<br />
3<br />
(<br />
3 3 3<br />
→ →<br />
2<br />
≡ z 3<br />
→ → → →<br />
(<br />
2 3 2<br />
y3<br />
→ • → • →<br />
Ω3 2<br />
z3<br />
2<br />
R x , y , z ) : tel que : z et x , x ) = ( y , ) = θ avec = θ z = θ ,<br />
•<br />
θ = Cte<br />
Matrice de passage de R1<br />
vers R2<br />
→<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ x1<br />
⎟ ⎛1<br />
0 0 ⎞⎜<br />
x2<br />
⎟<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎟⎜<br />
→ ⎟<br />
⎜ y1<br />
⎟ = ⎜0<br />
cos β sin β ⎟⎜<br />
y2<br />
⎟<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟<br />
→<br />
⎜ ⎟<br />
z<br />
⎝0<br />
− sin β cos β<br />
1<br />
⎠<br />
z2<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
P<br />
R 1→<br />
R 2<br />
→<br />
z 1<br />
O<br />
β<br />
→<br />
z<br />
2<br />
β<br />
→<br />
y<br />
1<br />
Matrice de passage de<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ x3<br />
⎟ ⎛ cosθ<br />
sinθ<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎜ y3<br />
⎟ = ⎜−<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
z3<br />
⎝ 0 0<br />
⎝ ⎠<br />
P<br />
R 3→<br />
R 2<br />
R vers R2<br />
3<br />
⎛<br />
0⎞⎜<br />
x<br />
⎟⎜<br />
0⎟⎜<br />
y<br />
1⎟⎜<br />
⎠<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
2<br />
→<br />
2<br />
→<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
y 3<br />
θ<br />
→<br />
y 2<br />
C<br />
R<br />
M<br />
θ<br />
→<br />
x 3<br />
→<br />
x<br />
2<br />
→<br />
y<br />
2<br />
273
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2. Vitesse et accélération du point C par dérivation ;<br />
2.1. Vitesse<br />
⎧0<br />
−→<br />
−→<br />
⎪<br />
Nous avons : OC=<br />
⎨0<br />
, OM<br />
⎪<br />
R ⎩h<br />
2<br />
⎧0<br />
−→ −→<br />
⎪<br />
= OC+<br />
CM = ⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩h<br />
2<br />
⎧R<br />
cosθ<br />
⎪<br />
+ ⎨Rsinθ<br />
=<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
2<br />
⎧R<br />
cosθ<br />
⎪<br />
⎨Rsinθ<br />
⎪<br />
R ⎩ h<br />
2<br />
→<br />
0<br />
V<br />
−→<br />
−→<br />
0<br />
2 →<br />
d OC d OC<br />
−→<br />
0<br />
( C)<br />
= = + Ω<br />
2<br />
∧ OC , avec :<br />
dt dt<br />
→ → → • →<br />
0 1 0<br />
Ω<br />
2<br />
= Ω<br />
2<br />
+ Ω1<br />
= ψ z1<br />
→<br />
→<br />
or : z1 = −sin<br />
β y2<br />
+ cos β z2<br />
d’où :<br />
→<br />
→<br />
0<br />
Ω<br />
2<br />
=<br />
R<br />
2<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨−<br />
⎪<br />
⎩<br />
0<br />
•<br />
ψ<br />
•<br />
ψ<br />
sin β<br />
cos β<br />
→<br />
0<br />
V<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
•<br />
( C)<br />
= ⎨−ψ<br />
sin β ∧<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩ ψ cos β R<br />
2<br />
2<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
⎩h<br />
•<br />
⎧ ⎪ − ψ hsin<br />
β<br />
= ⎨ 0<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
2.2. Accélération :<br />
→<br />
0<br />
γ ( C)<br />
=<br />
d<br />
→<br />
0<br />
0<br />
V ( C)<br />
dt<br />
=<br />
d<br />
→<br />
2<br />
0 →<br />
V ( C)<br />
+ Ω<br />
dt<br />
0<br />
2<br />
→<br />
0<br />
∧V<br />
( C)<br />
→<br />
0<br />
γ ( C)<br />
=<br />
R<br />
2<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨−<br />
⎪<br />
⎩<br />
0<br />
•<br />
ψ<br />
•<br />
ψ<br />
sin β<br />
cos β<br />
∧<br />
•<br />
⎧ ⎪ − ψ hsin<br />
β<br />
⎨ 0<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
⎧<br />
⎪<br />
= ⎨<br />
⎪<br />
R<br />
⎩<br />
2<br />
0<br />
•<br />
2<br />
−ψ<br />
hsin<br />
β cos β<br />
•<br />
2<br />
−ψ<br />
hsin<br />
β sin β<br />
3. Vitesse et accélération du point M par composition de mouvement ;<br />
3.1 Vitesse :<br />
→<br />
0<br />
2<br />
0<br />
Nous avons : V ( M ) = V ( M ) + V ( M ) ,<br />
→<br />
→<br />
2<br />
avec:<br />
⎧R<br />
cosθ<br />
−→<br />
⎪<br />
OM = ⎨Rsinθ<br />
⎪<br />
R ⎩ h<br />
2<br />
⇒<br />
→<br />
2<br />
V<br />
( M ) =<br />
•<br />
⎧<br />
→<br />
⎪ − Rθ<br />
sinθ<br />
2<br />
d OM<br />
•<br />
= ⎨ Rθ<br />
cosθ<br />
dt ⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
274
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
275<br />
A.KADI<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
=<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
=<br />
∧<br />
+ Ω<br />
=<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
cos<br />
sin<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
cos<br />
sin<br />
sin<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
0<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
2<br />
θ<br />
β<br />
ψ<br />
θ<br />
β<br />
ψ<br />
θ<br />
β<br />
ψ<br />
β<br />
ψ<br />
θ<br />
θ<br />
β<br />
ψ<br />
β<br />
ψ<br />
R<br />
R<br />
R<br />
h<br />
R<br />
h<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
OM<br />
O<br />
V<br />
M<br />
V<br />
ce qui donne :<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
+<br />
−<br />
−<br />
−<br />
=<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
→<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
h<br />
R<br />
M<br />
V<br />
θ<br />
β<br />
ψ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
β<br />
ψ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
β<br />
ψ<br />
β<br />
ψ<br />
cos<br />
sin<br />
cos<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
sin<br />
cos<br />
sin<br />
)<br />
(<br />
2<br />
0<br />
3.2 Accélération :<br />
Nous avons : ,<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
0<br />
2<br />
2<br />
0<br />
M<br />
M<br />
M<br />
M<br />
c<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
+<br />
+<br />
= γ<br />
γ<br />
γ<br />
γ<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
=<br />
=<br />
•<br />
•<br />
→<br />
→<br />
R<br />
R<br />
R<br />
dt<br />
M<br />
V<br />
d<br />
M<br />
0<br />
sin<br />
cos<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
γ<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∧<br />
Ω<br />
∧<br />
+ Ω<br />
∧<br />
Ω<br />
+<br />
=<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
OM<br />
OM<br />
dt<br />
d<br />
O<br />
M<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
0<br />
2 )<br />
(<br />
)<br />
( γ<br />
γ ; avec :<br />
→<br />
→<br />
= 0<br />
)<br />
(<br />
0 O<br />
γ<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
=<br />
∧ Ω<br />
+ Ω<br />
Ω<br />
=<br />
Ω<br />
0<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
dt<br />
d<br />
dt<br />
d<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
⎟=<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∧<br />
Ω<br />
∧<br />
Ω<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
h<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
OM<br />
θ<br />
θ<br />
β<br />
ψ<br />
β<br />
ψ<br />
β<br />
ψ<br />
β<br />
ψ<br />
sin<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
0<br />
cos<br />
sin<br />
0<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
⎟=<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∧<br />
Ω<br />
∧<br />
Ω<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
R<br />
R<br />
R<br />
h<br />
R<br />
R<br />
OM<br />
θ<br />
β<br />
ψ<br />
θ<br />
β<br />
ψ<br />
θ<br />
β<br />
ψ<br />
β<br />
ψ<br />
β<br />
ψ<br />
β<br />
ψ<br />
cos<br />
sin<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
cos<br />
sin<br />
cos<br />
sin<br />
0<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ →<br />
⎛<br />
−→<br />
0 0<br />
Ω<br />
2<br />
∧ ⎜Ω<br />
2<br />
∧ OM<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎟=<br />
⎠<br />
•<br />
⎧ 2<br />
⎪−<br />
Rψ<br />
cosθ<br />
•<br />
⎪ 2<br />
⎨ −ψ<br />
cos β<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
⎪ −ψ<br />
sin β<br />
R ⎩<br />
2<br />
( hsin<br />
β + R cos β sinθ<br />
)<br />
( hsin<br />
β + R cos β sinθ<br />
)<br />
→<br />
γ ( M ) = 2<br />
c<br />
→<br />
⎛ 0<br />
⎜Ω<br />
2<br />
∧V<br />
⎝<br />
→<br />
2<br />
⎞<br />
( M ) ⎟=<br />
⎠<br />
R<br />
2<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
•<br />
⎨−ψ<br />
sin<br />
•<br />
⎪<br />
⎩ ψ cos<br />
β<br />
β<br />
∧<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ − Rθ<br />
sinθ<br />
•<br />
⎨ Rθ<br />
cosθ<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
=<br />
• •<br />
⎧<br />
⎪<br />
− 2Rθ ψ cosθ<br />
cos β<br />
• •<br />
⎨−<br />
2Rθ ψ sinθ<br />
cos β<br />
• •<br />
⎪<br />
⎪ − 2Rθ ψ sinθ<br />
sin β<br />
R ⎩<br />
2<br />
La somme de toutes ces expressions donne :<br />
• •<br />
⎧ ⎛<br />
• •<br />
2 2<br />
⎞<br />
⎪−<br />
R cosθ<br />
⎜θ<br />
+ ψ + 2Rθ ψ cos β ⎟<br />
⎪ ⎝<br />
⎠<br />
→<br />
•<br />
•<br />
⎪<br />
⎛<br />
• •<br />
0<br />
2<br />
2<br />
⎞<br />
γ ( M ) = ⎨−ψ<br />
cos β ( hsin<br />
β + R cos β sinθ<br />
) − Rsinθ<br />
⎜θ<br />
+ 2Rθ ψ cos β ⎟<br />
⎪<br />
⎝<br />
⎠<br />
•<br />
• •<br />
⎪ 2<br />
⎪−ψ<br />
sin β ( hsin<br />
β + R cos β sinθ<br />
) − 2Rθ ψ sinθ<br />
sin β<br />
R ⎩<br />
2<br />
276
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
EXERCICES ET SOLUTIONS<br />
Exercice 01 :<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
→ → →<br />
1( 1 2 3<br />
Soient t R O,<br />
x , y , z ) un repère orthonormé fixe et R O,<br />
e , e , e ) un repère en<br />
mouvement par rapport au repère fixe avec une vitesse de rotation ω .<br />
→<br />
Montrer que :<br />
→<br />
⎛<br />
1<br />
→<br />
⎜ d e<br />
ω =<br />
⎜<br />
e1<br />
∧<br />
2 dt<br />
⎝<br />
→<br />
1<br />
→<br />
+ e<br />
2<br />
→<br />
d e<br />
∧<br />
dt<br />
2<br />
→<br />
+ e<br />
3<br />
→<br />
d e<br />
∧<br />
dt<br />
3<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
Solution :<br />
→<br />
→<br />
d e<br />
→ → → → → → → → → → → → →<br />
1 ⎛ ⎞<br />
Nous avons : e1<br />
∧ = e1<br />
∧ ⎜ω<br />
∧ e1<br />
⎟ = ω( e1<br />
• e1<br />
) − e1<br />
( ω • e1<br />
) = ω−<br />
e1<br />
( ω • e1<br />
)<br />
dt ⎝ ⎠<br />
→<br />
→<br />
d e2<br />
e2<br />
∧<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
d e3<br />
e3<br />
∧<br />
dt<br />
→<br />
= e<br />
2<br />
→<br />
= e<br />
3<br />
→<br />
⎛<br />
∧ ⎜ω<br />
∧ e<br />
⎝<br />
→<br />
→<br />
⎛<br />
∧ ⎜ω<br />
∧ e<br />
⎝<br />
→<br />
2<br />
3<br />
→ → → → → → → → → →<br />
⎞<br />
⎟ = ω( e2<br />
• e2<br />
) − e2<br />
( ω • e2<br />
) = ω−<br />
e2<br />
( ω • e2<br />
)<br />
⎠<br />
→ → → → → → → → → →<br />
⎞<br />
⎟ = ω( e3<br />
• e3)<br />
− e3(<br />
ω • e3)<br />
= ω−<br />
e3(<br />
ω • e3)<br />
⎠<br />
Faisons la somme des trois expressions en sachant que : ω<br />
nous obtenons :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
d e<br />
→<br />
→<br />
→ → → → → → → → → →<br />
1<br />
d e2<br />
d e3<br />
e<br />
1∧<br />
+ e2<br />
∧ + e3<br />
∧ = 3 − ( ω • e1<br />
) e1<br />
+ ( ω • e2<br />
) e2<br />
+ ( ω • e3)<br />
e3<br />
dt<br />
dt<br />
dt<br />
→ → → → → → → → → →<br />
= ( ω • e1 ) e1<br />
+ ( ω • e2<br />
) e2<br />
+ ( ω • e3<br />
) e3<br />
ω == 3ω−ω<br />
= 2ω<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎛<br />
1<br />
→<br />
⎜ d e<br />
ω =<br />
⎜<br />
e1<br />
∧<br />
2 dt<br />
⎝<br />
→<br />
1<br />
→<br />
+ e<br />
2<br />
→<br />
d e<br />
∧<br />
dt<br />
2<br />
→<br />
+ e<br />
3<br />
→<br />
d e<br />
∧<br />
dt<br />
3<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
241
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 02 :<br />
Une sphère (S) pleine et homogène, de centre G, de rayon a, roule de manière quelconque sur un<br />
plan fixe horizontal (P). Soit<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
un repère orthonormé fixe lié au plan tel que<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z0 ⊥ ( P)<br />
. Soit R ( G,<br />
x , y , z ) un repère orthonormé direct, lié à la sphère tel que :<br />
−−→<br />
→<br />
0<br />
→<br />
OG = x x + y y + a z<br />
0<br />
S<br />
→<br />
0<br />
s<br />
s<br />
s<br />
) . L’orientation du repère par rapport à R se fait par les angles<br />
RS<br />
0<br />
d’Euler classiques ψ , θ , ϕ . On prendra comme repère de projection.<br />
R 0<br />
1. Etablir les figures planes de rotation de la sphère ;<br />
2. Donner l’expression du vecteur rotation instantané de la sphère ;<br />
3. Déterminer la vitesse du point de contact I de la sphère avec le plan fixe.<br />
4. Ecrire la condition de roulement sans glissement de la sphère sur le plan.<br />
→<br />
z 0<br />
o<br />
→<br />
x 0<br />
→<br />
y 0<br />
G<br />
•<br />
•<br />
I<br />
P<br />
Solution :<br />
(S) : est une sphère homogène de rayon a ; (P) : un plan fixe ; OG = x x + y y + a z )<br />
−−→<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
→ →<br />
0<br />
,<br />
0<br />
P<br />
R O,<br />
x , y , z ) : repère fixe ; ( x y ) ∈ ( ) et<br />
→<br />
z0 ⊥(<br />
P)<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( G,<br />
x , y , z ) : repère lié à la sphère.<br />
S<br />
s<br />
s<br />
s<br />
Le passage du repère R vers le repère se fait par trois rotations utilisant les angles d’Euler<br />
( ψ , θ , ϕ)<br />
et deux repères intermédiaires et<br />
S<br />
R 0<br />
R1<br />
R2<br />
242
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
1. Les figures planes :<br />
R1<br />
0<br />
a) Passage du repère vers R : la rotation se fait autour de l’axe<br />
Matrice de passage du repère R1<br />
vers R0<br />
⎛<br />
⎜ x<br />
⎜<br />
⎜ y<br />
⎜<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
⎞<br />
⎟ ⎛ cosψ<br />
sinψ<br />
⎟ ⎜<br />
⎟ = ⎜−<br />
sinψ<br />
cosψ<br />
⎟ ⎜<br />
⎝ 0 0<br />
⎠<br />
P<br />
R 1→<br />
R 0<br />
⎛<br />
0⎞⎜<br />
x<br />
⎟⎜<br />
0⎟⎜<br />
y<br />
1⎟⎜<br />
⎠<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
→ →<br />
z 1 ≡ z 0<br />
→<br />
x 0<br />
G<br />
ψ<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
ψ<br />
→<br />
x 1<br />
→<br />
y<br />
1<br />
→<br />
y<br />
0<br />
→ →<br />
b) Passage du repère R2<br />
vers R1<br />
: la rotation se fait autour de l’axe x 1 ≡ x 2<br />
Matrice de passage de R2<br />
vers R1<br />
→<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ x2<br />
⎟ ⎛1<br />
0 0 ⎞⎜<br />
x1<br />
⎟<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎟⎜<br />
→ ⎟<br />
⎜ y2<br />
⎟ = ⎜0<br />
cosθ<br />
sinθ<br />
⎟⎜<br />
y1<br />
⎟<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟<br />
→<br />
⎜ ⎟<br />
z<br />
⎝0<br />
− sinθ<br />
cosθ<br />
2<br />
⎠<br />
z1<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
P<br />
R 2→<br />
R 1<br />
→ →<br />
x 1 ≡ x 2<br />
→<br />
y 1<br />
G<br />
θ<br />
θ<br />
→<br />
y 2<br />
→<br />
z<br />
2<br />
→<br />
z 1<br />
c) Passage du repère vers R : la rotation se fait autour de l’axe<br />
RS<br />
2<br />
→ →<br />
z 2 ≡ z s<br />
→<br />
y<br />
s<br />
Matrice de passage de<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ xs<br />
⎟ ⎛ cosϕ<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎜ ys<br />
⎟ = ⎜−<br />
sinϕ<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
z<br />
⎝ 0<br />
s<br />
⎝ ⎠<br />
P<br />
R<br />
→ s<br />
R 2<br />
sinϕ<br />
cosϕ<br />
0<br />
R vers R2<br />
s<br />
⎛<br />
0⎞⎜<br />
x<br />
⎟⎜<br />
0⎟⎜<br />
y<br />
1⎟⎜<br />
⎠<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
2<br />
→<br />
2<br />
→<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
→ →<br />
z 2 ≡ z s<br />
G<br />
→<br />
x 2<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
→<br />
x<br />
s<br />
→<br />
y<br />
2<br />
243
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2. Vecteur rotation instantané de la sphère dans le repère R0<br />
→ → → → • → • → • →<br />
0 2 1 0<br />
Ω<br />
s<br />
= Ω<br />
s<br />
+ Ω2<br />
+ Ω1<br />
= ϕ z2<br />
+ θ x1<br />
+ ψ z0<br />
→ →<br />
x1 z 0<br />
0<br />
Exprimons et dans le repère R . D’après les matrices de passage nous avons :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
x1 = cosψ<br />
x0<br />
+ sinψ<br />
y0<br />
⎛<br />
⎝<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z2 = −sinθ<br />
y1+<br />
cosθ<br />
z1<br />
= −sinθ<br />
⎜−<br />
sinψ<br />
x0<br />
+ cosψ<br />
y0<br />
⎟ + cosθ<br />
z0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z2 = sinθ<br />
sinψ<br />
x0<br />
− sinθ<br />
cosψ<br />
y0<br />
+ cosθ<br />
z0<br />
⎞<br />
⎠<br />
ce qui donne :<br />
→ •<br />
→<br />
→<br />
→ •<br />
→<br />
→ • →<br />
0 ⎛<br />
⎞ ⎛<br />
⎞<br />
Ω<br />
s<br />
= ϕ⎜sinθ<br />
sinψ<br />
x0<br />
− sinθ<br />
cosψ<br />
y0<br />
+ cosθ<br />
z0<br />
⎟ + θ ⎜cosψ<br />
x0<br />
+ sinψ<br />
y0<br />
⎟ + ψ z0<br />
⎝<br />
⎠<br />
⎝<br />
⎠<br />
→ •<br />
•<br />
→ •<br />
•<br />
→ • •<br />
→<br />
0 ⎛<br />
⎞ ⎛<br />
⎞ ⎛ ⎞<br />
Ω<br />
s<br />
= ⎜ϕ<br />
sinθ<br />
sinψ<br />
+ θ cosψ<br />
⎟ x0<br />
+ ⎜−<br />
ϕ sinθ<br />
cosψ<br />
+ θ sinψ<br />
⎟ y0<br />
+ ⎜ψ<br />
+ ϕ cosθ<br />
⎟ z0<br />
→<br />
0<br />
s<br />
Ω<br />
⎝<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
ϕ sinθ<br />
sinψ<br />
+ θ cosψ<br />
•<br />
•<br />
= ⎨−ϕ<br />
sinθ<br />
cosψ<br />
+ θ sinψ<br />
• •<br />
⎪<br />
⎪ ψ + ϕ cosθ<br />
R ⎩<br />
0<br />
⎠<br />
⎝<br />
⎠<br />
⎝<br />
⎠<br />
3. Vitesse du point de contact I de la sphère avec le plan fixe<br />
Les points G et I appartiennent à la sphère. Par la cinématique du solide, nous pouvons connaître la<br />
vitesse du point I à partir de celle de G, en effet nous avons :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
s<br />
−→<br />
( I)<br />
= V ( G)<br />
+ Ω ∧ GI<br />
Avec :<br />
•<br />
⎧<br />
⎧x<br />
−→<br />
−→<br />
⎪<br />
x<br />
→<br />
0<br />
•<br />
⎪<br />
0 d OG<br />
OG=<br />
⎨y<br />
⇒ V ( G)<br />
= =<br />
⎪<br />
R ⎩a<br />
0 ⎪ ⎪ ⎨y<br />
dt<br />
0<br />
R ⎩<br />
0<br />
⎧x<br />
−→<br />
−→<br />
⎪<br />
et OI=<br />
⎨y<br />
⇒ GI =<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
R<br />
0<br />
0<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨ 0<br />
⎪<br />
⎩−<br />
a<br />
244
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
•<br />
•<br />
•<br />
⎧ ⎧<br />
⎪<br />
+<br />
⎪<br />
x ϕ sinθ<br />
sinψ<br />
θ cosψ<br />
⎧ 0<br />
→<br />
•<br />
•<br />
•<br />
0<br />
⎪<br />
V ( I)<br />
= ⎨y<br />
+ ⎨−<br />
ϕ sinθ<br />
cosψ<br />
+ θ sinψ<br />
∧ ⎨ 0<br />
• •<br />
⎪0<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩−<br />
⎪ ⎪ ψ + ϕ cosθ<br />
a<br />
R ⎩<br />
0 R ⎩<br />
0<br />
, on obtient finalement :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
⎧ •<br />
•<br />
•<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎪x<br />
− a⎜−ϕ<br />
sinθ<br />
cosψ<br />
+ θ sinψ<br />
⎟<br />
⎪ ⎝<br />
⎠<br />
• •<br />
•<br />
⎛<br />
⎞<br />
( I)<br />
= ⎨ y + a⎜ϕ<br />
sinθ<br />
sinψ<br />
+ θ cosψ<br />
⎟<br />
⎪ ⎝<br />
⎠<br />
⎪<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
0<br />
4. Condition de roulement sans glissement de la sphère sur le plan.<br />
Pour que la condition de roulement sans glissement soit satisfaite il faut que la vitesse du point I soit<br />
nulle :<br />
→<br />
0 ( I<br />
V<br />
→<br />
) = 0<br />
⇔<br />
•<br />
•<br />
•<br />
⎧ ⎛<br />
⎞<br />
⎪ x − a⎜−<br />
ϕ sinθ<br />
cosψ<br />
+ θ sinψ<br />
⎟ = 0<br />
⎝<br />
⎠<br />
⎨ • •<br />
•<br />
⎪ ⎛<br />
⎞<br />
y + a⎜ϕ<br />
sinθ<br />
sinψ<br />
+ θ cosψ<br />
⎟ = 0<br />
R<br />
⎩ ⎝<br />
⎠<br />
0<br />
(1)<br />
(2)<br />
On multiplie l’équation (1) par<br />
sin ψ et l’équation (2) par cos ψ puis on fait la différence des deux<br />
équations :<br />
•<br />
•<br />
•<br />
⎧ ⎛<br />
2 ⎞<br />
⎪ xsinψ<br />
− a⎜−<br />
ϕ sinθ<br />
cosψ<br />
sinψ<br />
+ θ sin ψ ⎟ = 0<br />
⎝<br />
⎠<br />
⎨ •<br />
•<br />
•<br />
⎪ ⎛<br />
2 ⎞<br />
y cosψ<br />
+ a⎜ϕ<br />
sinθ<br />
sinψ<br />
cosψ<br />
+ θ cos ψ ⎟ = 0<br />
⎩ ⎝<br />
⎠<br />
(1)<br />
(2)<br />
•<br />
•<br />
•<br />
( 2) − (1) ⇒ − xsin ψ + y cosψ<br />
+ aθ<br />
= 0<br />
comme nous avons aussi : sinψ =<br />
y<br />
et<br />
2 2<br />
x + y<br />
• •<br />
y x − x y<br />
•<br />
L’équation devient : + aθ = 0<br />
2 2<br />
x + y<br />
cosψ<br />
=<br />
x<br />
2<br />
x<br />
+ y<br />
2<br />
245
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 03 :<br />
Soit le système mécanique composé d’une tige OO 2 de longueur L et d’une plaque rectangulaire<br />
de dimension 2a et 2b articulée en O 2 avec la tige (voir figure). étant le repère fixe ; R en<br />
→<br />
ψ z 0<br />
rotation de autour de . La plaque tourne autour de la tige à une vitesse angulaire .<br />
•<br />
•<br />
•<br />
On donne ψ = Cte ; θ = Cte ; ϕ = Cte<br />
1) Déterminer les matrices de passage de vers et de vers R ;<br />
R1<br />
R2<br />
R3<br />
2<br />
→<br />
0<br />
R0<br />
1<br />
2) Déterminer le vecteur rotation instantané de par rapport à exprimé dans R ;<br />
→<br />
0<br />
V<br />
2<br />
R3<br />
R0<br />
2<br />
3) Déterminer par dérivation la vitesse (O ) exprimée dans le repère ;<br />
4) Déterminer par la cinématique du solide la vitesse V (A) par rapport à R0<br />
exprimée R2<br />
;<br />
5) Déterminer par dérivation et par la cinématique du solide (O 2<br />
) exprimée dans le repère R .<br />
→<br />
x<br />
0<br />
→<br />
z<br />
Solution :<br />
0<br />
O<br />
ψ<br />
θ<br />
O 2<br />
→<br />
x 1<br />
ψ<br />
→ →<br />
z 2 ≡ z 3<br />
→ →<br />
y 1 ≡ y 2<br />
→<br />
y<br />
0<br />
La tige : OO = L ; La plaque : Longueur 2a , Largeur 2b<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) : repère fixe ;<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
2<br />
R O,<br />
x , y , z ) : repère en rotation autour de l’axe par rapport au repère<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
→<br />
z 1<br />
O<br />
θ<br />
θ<br />
→<br />
z 2<br />
→<br />
x 2<br />
R 2<br />
→<br />
γ 0<br />
2<br />
→<br />
x 1<br />
2b<br />
O 2<br />
2a<br />
→<br />
x<br />
ϕ<br />
2<br />
ϕ<br />
→<br />
z0<br />
R0<br />
R O,<br />
x , y , z ) : repère lié à la tige, en rotation autour de l’axe par rapport à<br />
→<br />
y<br />
→<br />
y1<br />
R1<br />
3<br />
→<br />
x 3<br />
•<br />
ϕ<br />
→<br />
y 2<br />
246
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ → →<br />
3<br />
(<br />
2 3 3 3<br />
→<br />
z2<br />
R2<br />
R O , x , y , z ) : repère lié à la plaque, en rotation autour de l’axe par rapport à<br />
•<br />
•<br />
on donne : ψ = Cte , θ = Cte ,<br />
•<br />
ϕ = Cte<br />
1. Matrices de passage<br />
Matrice de passage de R2<br />
vers R1<br />
→<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ x1<br />
⎟ ⎛ cosθ<br />
0 sinθ<br />
⎞⎜<br />
x2<br />
⎟<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎟⎜<br />
→ ⎟<br />
⎜ y1<br />
⎟ = ⎜ 0 1 0 ⎟⎜<br />
y2<br />
⎟<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟<br />
→<br />
⎜ ⎟<br />
z<br />
⎝−<br />
sinθ<br />
0 cosθ<br />
1<br />
⎠<br />
z2<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
→<br />
z 1<br />
O<br />
θ<br />
θ<br />
→<br />
z 2<br />
→<br />
x 2<br />
→<br />
x<br />
1<br />
P<br />
R 1→<br />
R 2<br />
→<br />
y 3<br />
Matrice de passage de<br />
R vers R2<br />
→<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ x3<br />
⎟ ⎛ cosϕ<br />
sinϕ<br />
0⎞⎜<br />
x2<br />
⎟<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎟⎜<br />
→ ⎟<br />
⎜ y3<br />
⎟ = ⎜−<br />
sinϕ<br />
cosϕ<br />
0⎟⎜<br />
y2<br />
⎟<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟<br />
→<br />
⎜ ⎟<br />
z3<br />
⎝ 0 0 1⎠<br />
z2<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
P<br />
R 3→<br />
R 2<br />
3<br />
2b<br />
O 2<br />
2a<br />
ϕ<br />
→<br />
x 2<br />
ϕ<br />
→<br />
x 3<br />
→<br />
y<br />
2<br />
2. Vecteur rotation instantané de par rapport à exprimé dans R ;<br />
D’après la relation de Chasles nous pouvons écrire :<br />
→ → → → • → • → • →<br />
0 2 1 0<br />
Ω3 = Ω3<br />
+ Ω<br />
2<br />
+ Ω1<br />
= ϕ z2<br />
+ θ y2<br />
+ ψ z1<br />
R3<br />
R0<br />
2<br />
→<br />
z1<br />
2<br />
Exprimons le vecteur unitaire dans le repère R , il s’écrit :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z1 = −sinθ<br />
x2<br />
+ cosθ<br />
z2<br />
D’où :<br />
→ • → • → •<br />
→<br />
→ • → • → • •<br />
→<br />
0<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎛ ⎞<br />
Ω<br />
3<br />
= ϕ z2<br />
+ θ y2<br />
+ ψ ⎜−<br />
sinθ<br />
x2<br />
+ cosθ<br />
z2<br />
⎟ = −ψ<br />
sinθ<br />
x2<br />
+ θ y2<br />
+ ⎜ϕ+<br />
ψ cosθ<br />
⎟ z2<br />
⎝<br />
⎠<br />
⎝<br />
⎠<br />
⎧<br />
→<br />
⎪<br />
0<br />
Ω3<br />
= ⎨<br />
⎪<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
2<br />
•<br />
−ψ<br />
sinθ<br />
•<br />
θ<br />
• •<br />
ϕ+<br />
ψ cosθ<br />
247
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
0<br />
V<br />
2<br />
3. (O ) par dérivation et exprimée dans le repère ;<br />
→<br />
0<br />
2<br />
→<br />
0 d OO2<br />
d OO<br />
−−→<br />
2 0<br />
Par dérivation nous avons : V ( O2<br />
) = = + Ω<br />
2<br />
∧ OO 2<br />
dt dt<br />
−−→<br />
−−→<br />
R 2<br />
Or<br />
⎧0<br />
−−→<br />
⎪<br />
OO 2 = ⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩L<br />
2<br />
⇒<br />
d<br />
2<br />
−−→<br />
OO<br />
dt<br />
2<br />
→<br />
= 0<br />
; et<br />
→<br />
0<br />
2<br />
Ω<br />
→<br />
1<br />
2<br />
= Ω<br />
→<br />
0<br />
1<br />
+ Ω<br />
• →<br />
= θ y<br />
2<br />
• →<br />
+ ψ z<br />
1<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ − ψ sinθ<br />
•<br />
= ⎨ θ<br />
•<br />
⎪ ψ cosθ<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
2<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( O<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ − ψ sinθ<br />
•<br />
) = ⎨ θ<br />
•<br />
⎪ ψ cosθ<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
2<br />
2<br />
∧<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩L<br />
2<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
Lθ<br />
•<br />
⎨Lψ<br />
sinθ<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
4. Vitesse du point A par rapport à exprimée dans le repère R ;<br />
Par la cinématique du solide nous pouvons écrire :<br />
R0<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→ −−→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
V ( A)<br />
V ( O2<br />
) + Ω3<br />
∧ O2<br />
= A<br />
Le point A est dans le repère R 3<br />
et a pour coordonnées :<br />
⎧a<br />
⎧a<br />
cosϕ<br />
−−→<br />
⎪ ⎪<br />
O2 A=<br />
⎨0<br />
= ⎨asinϕ<br />
⎪ ⎪<br />
R ⎩0<br />
R ⎩ 0<br />
3<br />
2<br />
→<br />
0<br />
D’où : V<br />
( A)<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
Lθ<br />
•<br />
⎨Lψ<br />
sinθ<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
+<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
2<br />
•<br />
−ψ<br />
sinθ<br />
•<br />
θ<br />
• •<br />
ϕ+<br />
ψ cosθ<br />
∧<br />
⎧a<br />
cosϕ<br />
⎪<br />
⎨a<br />
sinϕ<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
2<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( A)<br />
=<br />
•<br />
• •<br />
⎧<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎪ Lθ<br />
− a sinϕ⎜<br />
ϕ+<br />
ψ cosθ<br />
⎟<br />
⎪<br />
⎝<br />
⎠<br />
•<br />
• •<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎨ Lψ<br />
sinθ<br />
+ a cosϕ⎜<br />
ϕ+<br />
ψ cosθ<br />
⎟<br />
⎪<br />
⎝<br />
⎠<br />
•<br />
•<br />
⎪ ⎛<br />
⎞<br />
− a<br />
⎪ ⎜ψ<br />
sinϕ<br />
sinθ<br />
+ θ cosϕ<br />
⎟<br />
R ⎩ ⎝<br />
⎠<br />
2<br />
248
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
γ 0<br />
2<br />
5. Accélération (O 2<br />
) par dérivation et par la cinématique du solide dans le repère R .<br />
5.1. par dérivation<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Nous savons que : ψ = Cte ; θ = Cte ; ϕ = Cte ; alors :<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
2 0<br />
→ →<br />
0 d V ( O2<br />
) d V ( O2<br />
) 0 0<br />
γ ( O2<br />
) = = + Ω<br />
2<br />
∧V<br />
( O2<br />
)<br />
dt dt<br />
ce qui donne :<br />
→<br />
→<br />
0<br />
γ ( O<br />
2<br />
⎧ 0<br />
• •<br />
⎪<br />
) = ⎨Lψ θ cosθ<br />
+<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
2<br />
R<br />
2<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
•<br />
−ψ<br />
sinθ<br />
•<br />
θ<br />
• •<br />
ϕ+<br />
ψ cosθ<br />
∧<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
Lθ<br />
•<br />
⎨Lψ<br />
sinθ<br />
=<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
R<br />
2<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
•<br />
2<br />
− Lψ<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
• •<br />
2Lψ θ cosθ<br />
• •<br />
2 2 2<br />
− Lθ<br />
− Lψ<br />
sin<br />
θ<br />
5.1. par la cinématique du solide<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
Ω<br />
−−→ → →<br />
⎛<br />
−−→<br />
0<br />
0 d<br />
2<br />
0 0<br />
γ ( O2<br />
) = γ ( O)<br />
+ ∧ OO2<br />
+ Ω<br />
2<br />
∧ ⎜Ω<br />
2<br />
∧ OO2<br />
dt<br />
⎝<br />
Les points O et<br />
O 2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
appartiennent à la tige leurs vitesses et leurs accélérations sont nulles dans<br />
le repère<br />
R 2<br />
lié à la tige.<br />
→<br />
→<br />
0<br />
γ ( O)<br />
= 0 car le point O est fixe dans la tige ;<br />
→<br />
0<br />
2<br />
0<br />
d Ω<br />
dt<br />
−−→<br />
∧ OO<br />
2<br />
• •<br />
⎧<br />
⎪<br />
−ψ θ cosθ<br />
= ⎨ 0 ∧<br />
• •<br />
⎪−ψ θ sinθ<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩L<br />
2<br />
=<br />
⎧ 0<br />
• •<br />
⎪<br />
⎨Lψ θ cosθ<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
2<br />
→ →<br />
⎛<br />
−−→<br />
0 0<br />
Ω<br />
2<br />
∧ ⎜Ω<br />
2<br />
∧ OO2<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎟=<br />
⎠<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
2<br />
•<br />
2<br />
− Lψ<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
• •<br />
Lψ θ cosθ<br />
• •<br />
2 2 2<br />
− Lθ<br />
− Lψ<br />
sin<br />
θ<br />
249
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
La somme de ces trois expressions donne :<br />
•<br />
⎧<br />
2<br />
⎧<br />
⎧ 0 ⎪ − Lψ<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
⎪<br />
→<br />
• •<br />
• •<br />
0 ⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
γ ( O2<br />
) = ⎨Lψ θ cosθ<br />
+ ⎨ Lψ θ cosθ<br />
=<br />
R<br />
0<br />
L L<br />
2 ⎪ ⎪ ⎨<br />
• •<br />
⎪<br />
⎪<br />
2 2 2<br />
⎩<br />
⎪ − θ − ψ sin θ<br />
R ⎩<br />
R ⎩<br />
2<br />
2<br />
•<br />
2<br />
− Lψ<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
• •<br />
2Lψ θ cosθ<br />
• •<br />
2 2 2<br />
− Lθ<br />
− Lψ<br />
sin<br />
θ<br />
Exercice 04 :<br />
Soient deux barres articulées en A faisant partie d’un mécanisme de régulation. La barre OA est<br />
en rotation autour de l’axe Z dans le plan horizontal ( x , y 0<br />
). La barre AB est en rotation autour<br />
→<br />
y 1<br />
de l’axe dans le plan ( x , ) . Soit P un point mobile sur la barre AB tel que. AP r z ,<br />
−−→ →<br />
OA = a x1<br />
−−→<br />
AB = b z ; (a et b sont des constantes). R1<br />
: repère de projection. Déterminer :<br />
→<br />
→<br />
2<br />
→<br />
→<br />
0<br />
→<br />
z<br />
→<br />
1 0<br />
1. Les matrices de passage de vers et de vers R ;<br />
→<br />
R0<br />
R1<br />
R2<br />
1<br />
2. Ω 0 0<br />
0<br />
2<br />
, V ( B)<br />
et γ ( B)<br />
par dérivation direct et par la cinématique du solide ;<br />
→<br />
→<br />
0<br />
−−→ →<br />
=<br />
2<br />
→<br />
y 1<br />
θ<br />
O<br />
θ<br />
A<br />
→<br />
x 0<br />
→<br />
y 0<br />
→ →<br />
y 1 ≡ y 2<br />
→<br />
x<br />
1<br />
Solution<br />
−−→ →<br />
= a x1<br />
−−→ →<br />
=<br />
2<br />
OA ; AB b z et<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) : repère fixe ;<br />
−−→ →<br />
AP = r z2<br />
→<br />
z 0<br />
→<br />
z 1<br />
ψ<br />
B<br />
→<br />
z<br />
2<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ →<br />
0<br />
≡ z 1<br />
→ → → →<br />
(<br />
0 1 0 1<br />
R O,<br />
x , y , z ) : en rotation tel que z et θ = x , x ) = ( y , y ) ,<br />
→ • →<br />
0<br />
Ω1 ≡ θ z1<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
→ →<br />
1<br />
≡ y 2<br />
→ → → →<br />
(<br />
1 2 1 2<br />
R A,<br />
x , y , z ) : en rotation tel que y et ψ = x , x ) = ( z , z ) , Ω<br />
→<br />
1<br />
2<br />
≡ ψ<br />
•<br />
y →<br />
1<br />
250
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
1. Matrices de passage<br />
Matrice de passage de<br />
R vers R1<br />
0<br />
→<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ x0<br />
⎟ ⎛cosθ<br />
− sinθ<br />
0⎞⎜<br />
x1<br />
⎟<br />
→ →<br />
≡<br />
O<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎟⎜<br />
→ ⎟<br />
z 0<br />
z<br />
=<br />
1<br />
⎜ y0<br />
⎟ ⎜ sinθ<br />
cosθ<br />
0⎟⎜<br />
y1<br />
⎟<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟<br />
→<br />
⎜ ⎟<br />
z0<br />
⎝ 0 0 1⎠<br />
z1<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
θ<br />
P<br />
R 0→ R 1<br />
→<br />
x 0<br />
Matrice de passage de R2<br />
vers R1<br />
→<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎛ ⎞<br />
→ →<br />
⎜ x<br />
y 1 ≡<br />
A<br />
2 ⎟ ⎛cosψ<br />
0 − sinθ<br />
⎞⎜<br />
x1<br />
⎟<br />
y 2<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎟⎜<br />
→ ⎟<br />
⎜ y2<br />
⎟ = ⎜ 0 1 0 ⎟⎜<br />
y1<br />
⎟<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟<br />
→<br />
⎜ ⎟<br />
⎝<br />
⎠<br />
ψ<br />
z2<br />
sinψ<br />
0 cosψ<br />
z1<br />
⎝ ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
→<br />
P<br />
R 2→<br />
R 1<br />
z 1<br />
θ<br />
→<br />
x 1<br />
ψ<br />
→<br />
z 2<br />
→<br />
y<br />
→<br />
x<br />
2<br />
1<br />
→<br />
y<br />
→<br />
x<br />
1<br />
0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
2. Ω 0 0<br />
0<br />
2<br />
puis V ( B)<br />
et γ ( B)<br />
par dérivation direct et par la cinématique du solide<br />
a) la vitesse instantanée de rotation<br />
→<br />
Ω 0 2<br />
→<br />
0<br />
2<br />
Ω<br />
→<br />
1<br />
2<br />
= Ω<br />
→<br />
0<br />
1<br />
+ Ω<br />
• →<br />
= ψ y<br />
1<br />
⎧0<br />
• →<br />
⎪<br />
•<br />
1=<br />
⎨ψ<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩θ<br />
1<br />
+ θ z<br />
→<br />
0<br />
b) V ( B)<br />
par dérivation direct et par la cinématique du solide<br />
*) par dérivation directe<br />
Nous avons :<br />
⎧a<br />
−→ −→ −→<br />
⎪<br />
OB = OA+<br />
AB=<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
1<br />
⎧0<br />
⎪<br />
+ ⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩b<br />
2<br />
=<br />
⎧a<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
1<br />
⎧bsinψ<br />
⎪<br />
+ ⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩b<br />
cosψ<br />
1<br />
=<br />
⎧ a + bsinψ<br />
⎪<br />
⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩ bcosψ<br />
1<br />
Par dérivation nous avons : V<br />
→<br />
0<br />
−→<br />
−→<br />
0<br />
1 →<br />
d OB d OB<br />
−→<br />
0<br />
( B)<br />
= = + Ω1<br />
∧ OB<br />
dt dt<br />
251
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( B)<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
b<br />
⎪<br />
ψ cosψ<br />
⎨ 0 +<br />
•<br />
⎪−<br />
bψ<br />
sinψ<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0<br />
∧<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩θ<br />
1<br />
⎧ a + bsinψ<br />
⎪<br />
⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩ bcosψ<br />
1<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
bψ<br />
cosψ<br />
•<br />
⎨(<br />
a + bsinψ<br />
) θ<br />
•<br />
⎪<br />
⎪−<br />
bψ<br />
sinψ<br />
R ⎩<br />
1<br />
*) par la cinématique du solide<br />
→<br />
0<br />
Nous pouvons écrire : V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
2<br />
−→<br />
( B)<br />
= V ( A)<br />
+ Ω ∧ AB<br />
→<br />
0<br />
Nous avons : V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
( A)<br />
= V ( O)<br />
+ Ω ∧ OA ⇔<br />
→<br />
0<br />
V<br />
⎧0<br />
⎧a<br />
⎪ ⎪<br />
( A)<br />
= ⎨0∧<br />
⎨0<br />
•<br />
⎪ ⎪<br />
R ⎩θ<br />
R ⎩0<br />
1<br />
1<br />
=<br />
⎧ 0<br />
•<br />
⎪<br />
⎨aθ<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
→<br />
→<br />
Car V 0 ( O)<br />
= 0 Nous avons ainsi :<br />
•<br />
⎧<br />
⎧ 0 ⎧0<br />
⎧bsinψ<br />
⎪<br />
bψ<br />
cosψ<br />
→<br />
•<br />
⎪<br />
•<br />
•<br />
0 ⎪<br />
⎪<br />
( B)<br />
= ⎨aθ<br />
+ ⎨ψ<br />
+ ⎨ 0 = ⎨(<br />
a + bsinψ<br />
) θ<br />
•<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
⎩ R ⎩b<br />
ψ<br />
R θ cos<br />
⎪−<br />
bψ<br />
sinψ<br />
1<br />
1 1<br />
R ⎩<br />
1<br />
V<br />
→<br />
b) γ<br />
0 (B) par dérivation et par la cinématique du solide<br />
*) par dérivation<br />
→<br />
0 0<br />
1 0 → →<br />
0 d V ( B)<br />
d V ( B)<br />
0 0<br />
Par dérivation nous avons : γ ( B)<br />
= = + Ω1<br />
∧V<br />
( B)<br />
dt dt<br />
→<br />
→<br />
⎧<br />
••<br />
•<br />
2<br />
⎪bψ<br />
cosψ<br />
− bψ<br />
sinψ<br />
→<br />
•• • •<br />
0 ⎪<br />
γ ( B)<br />
= ⎨ ( a + bsinψ<br />
) θ + bθ ψ cosψ<br />
•<br />
⎪ ••<br />
2<br />
⎪−<br />
bψ<br />
sinψ<br />
− bψ<br />
cosψ<br />
R ⎩<br />
1<br />
+<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩θ<br />
1<br />
∧<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
bψ<br />
cosψ<br />
•<br />
⎨(<br />
a + bsinψ<br />
) θ<br />
•<br />
⎪<br />
⎪−<br />
bψ<br />
sinψ<br />
R ⎩<br />
1<br />
252
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
⎧<br />
••<br />
•<br />
•<br />
2<br />
2<br />
⎪bψ<br />
cosψ<br />
− bψ<br />
sinψ<br />
− ( a + bsinψ<br />
) θ<br />
→<br />
•• • •<br />
0 ⎪<br />
γ ( B)<br />
= ⎨(<br />
a + bsinψ<br />
) θ + 2bθ ψ cosψ<br />
•<br />
⎪ ••<br />
2<br />
⎪ − bψ<br />
sinψ<br />
− bψ<br />
cosψ<br />
R ⎩<br />
1<br />
A.KADI<br />
*) par la cinématique du solide<br />
Nous pouvons écrire :<br />
→<br />
0<br />
2<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0 d Ω<br />
γ ( B)<br />
= γ ( A)<br />
+<br />
dt<br />
−→<br />
∧ AB<br />
+<br />
→ →<br />
0 ⎛<br />
Ω<br />
2<br />
∧ ⎜Ω<br />
⎝<br />
0<br />
2<br />
−−→⎞<br />
∧ AB⎟<br />
⎠<br />
Calculons d’abord :<br />
→<br />
0<br />
1<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0 d Ω<br />
γ ( A)<br />
= γ ( O)<br />
+<br />
dt<br />
−→<br />
∧ OA<br />
+<br />
→ →<br />
⎛<br />
−−→<br />
0 0 ⎞<br />
Ω1<br />
∧ ⎜Ω1<br />
∧ OA⎟ ⎝ ⎠<br />
→<br />
Sachant que γ<br />
0 ( O)<br />
= 0 , on obtient :<br />
→<br />
→<br />
0<br />
γ ( A ) =<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0<br />
∧<br />
••<br />
⎪<br />
R ⎩θ<br />
1<br />
⎧a<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
1<br />
+<br />
⎧0<br />
⎧0<br />
⎪ ⎪<br />
⎨0<br />
∧ ⎨0<br />
∧<br />
• •<br />
⎪ ⎪<br />
R ⎩θ<br />
R ⎩θ<br />
1<br />
1<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ −<br />
2<br />
⎧a<br />
aθ<br />
••<br />
⎪<br />
⎨0=<br />
⎨ aθ<br />
⎪ ⎪<br />
R ⎩0<br />
0<br />
1 ⎪<br />
R ⎩<br />
1<br />
→<br />
0<br />
2<br />
0<br />
d Ω<br />
dt<br />
=<br />
→<br />
0<br />
2<br />
1<br />
d Ω<br />
dt<br />
• •<br />
⎧<br />
⎧0<br />
⎧0<br />
⎧0<br />
⎪<br />
θ ψ<br />
→ →<br />
⎪<br />
••<br />
⎪ ⎪<br />
• ••<br />
0 0<br />
+ Ω1<br />
∧ Ω<br />
2<br />
= ⎨ψ<br />
+ ⎨0∧<br />
⎨ψ<br />
= ⎨ ψ<br />
•• • • ••<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
⎩θ<br />
⎩θ<br />
R R ⎩θ<br />
⎪ θ<br />
1 1 R1<br />
R ⎩<br />
1<br />
→<br />
0<br />
2<br />
0<br />
d Ω<br />
dt<br />
• •<br />
••<br />
⎧<br />
⎧<br />
⎪<br />
θ ψ ⎧bsinψ<br />
⎪<br />
bψ<br />
cosψ<br />
−→ ••<br />
••<br />
• •<br />
⎪<br />
∧ AB=<br />
⎨ ψ ∧ ⎨ 0 = ⎨bθ<br />
sinψ<br />
+ bθ ψ cosψ<br />
••<br />
••<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
⎪ θ R ⎩b<br />
cosψ<br />
⎪−<br />
bψ<br />
cosψ<br />
1<br />
R ⎩<br />
R ⎩<br />
1<br />
1<br />
253
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
→ →<br />
0 ⎛<br />
Ω<br />
2<br />
∧ ⎜Ω<br />
⎝<br />
0<br />
2<br />
•<br />
⎧<br />
⎧0<br />
⎧0<br />
⎧bsinψ<br />
⎧0<br />
⎪<br />
bψ<br />
cosψ<br />
−→<br />
⎞ ⎪<br />
•<br />
⎪<br />
•<br />
⎪ ⎪<br />
•<br />
•<br />
∧ AB ⎟= ⎨ψ<br />
∧ ⎨ψ<br />
∧ ⎨ 0 = ⎨ψ<br />
∧ ⎨ bθ<br />
sinψ<br />
⎠ • •<br />
•<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
⎩θ<br />
⎩θ<br />
⎩b<br />
cosψ<br />
R<br />
⎩θ<br />
⎪−<br />
bψ<br />
sinψ<br />
1<br />
R R<br />
1 1 R1<br />
R ⎩<br />
1<br />
A.KADI<br />
•<br />
•<br />
⎧ 2<br />
2<br />
⎪ − bψ<br />
sinψ<br />
− bθ<br />
sinψ<br />
• •<br />
⎪<br />
= ⎨ bθ ψ cosψ<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
⎪−<br />
bψ<br />
cosψ<br />
R ⎩<br />
1<br />
En faisant la somme des trois termes nous obtenons :<br />
•<br />
••<br />
⎧ ⎧<br />
⎪ −<br />
2<br />
aθ<br />
⎪<br />
bψ<br />
cosψ<br />
→<br />
••<br />
••<br />
• •<br />
0<br />
γ ( B)<br />
= ⎨ aθ<br />
+ ⎨bθ<br />
sinψ<br />
+ bθ ψ cosψ<br />
••<br />
⎪ 0 ⎪<br />
⎪ ⎪−<br />
bψ<br />
cosψ<br />
R ⎩ R ⎩<br />
1<br />
1<br />
•<br />
•<br />
⎧ 2<br />
2<br />
⎪ − bψ<br />
sinψ<br />
− bθ<br />
sinψ<br />
• •<br />
⎪<br />
+ ⎨ bθ ψ cosψ<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
⎪−<br />
bψ<br />
cosψ<br />
R ⎩<br />
1<br />
⎧<br />
••<br />
•<br />
•<br />
2<br />
2<br />
⎪bψ<br />
cosψ<br />
− bψ<br />
sinψ<br />
− ( a + bsinψ<br />
) θ<br />
→<br />
•• • •<br />
0 ⎪<br />
γ ( B)<br />
= ⎨(<br />
a + bsinψ<br />
) θ + 2bθ ψ cosψ<br />
•<br />
⎪ ••<br />
2<br />
⎪ − bψ<br />
sinψ<br />
− bψ<br />
cosψ<br />
R ⎩<br />
1<br />
Exercice 05 :<br />
Une barre homogène mince de longueur AC = 2L et de centre G , repose sans frottement sur un<br />
petit rouleau fixe au point B et s’appuie contre un mur lisse au point A .<br />
projection.<br />
1- Déterminer la vitesse de glissement en A et en B ;<br />
R 0<br />
: est le repère de<br />
2- Déterminer les coordonnées du C.I.R. (centre instantanée de rotation) géométriquement et<br />
analytiquement.<br />
254
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
y 0<br />
→<br />
y<br />
1<br />
C<br />
→<br />
x 1<br />
→<br />
y 0<br />
→<br />
y 1<br />
C<br />
→<br />
x<br />
1<br />
Solution :<br />
o<br />
A<br />
a<br />
B<br />
G<br />
α<br />
→<br />
x 0<br />
→ o<br />
V 0 ( B)<br />
A<br />
→<br />
V 0 ( A)<br />
Au point B nous avons un glissement sans frottement ; AC = 2L ; le repère<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
de projection. R O,<br />
x , y , z ) : repère fixe ;<br />
α<br />
a<br />
B<br />
G<br />
I 1<br />
α<br />
R 0<br />
→<br />
x 0<br />
I 2<br />
est le repère<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ →<br />
0<br />
≡ z 1<br />
→ → → →<br />
(<br />
0 1 0 1<br />
R G,<br />
x , y , z ) : est tel que z ; α = x , x ) = ( y , y ) et Ω<br />
1. Vitesse de glissement aux points A et B<br />
→ • → • →<br />
0<br />
1<br />
= α z0<br />
= α z1<br />
⎧ 0<br />
−→<br />
⎪<br />
Les coordonnées de A et B dans le repère R 0<br />
sont : OA = ⎨−<br />
atgα ;<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
0<br />
⎧a<br />
−→<br />
⎪<br />
OB=<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
0<br />
⎧ 0<br />
•<br />
0<br />
d OA<br />
⎪<br />
aα<br />
A)<br />
= = ⎨−<br />
dt ⎪ cos α<br />
⎪ 0<br />
R ⎩<br />
−→<br />
→<br />
0<br />
(<br />
2<br />
V<br />
0<br />
Comme A et B appartiennent tous les deux à la barre, la vitesse V 0 ( B)<br />
se déduit par la<br />
cinématique du solide : V<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
( B)<br />
= V ( A)<br />
+ Ω ∧ AB<br />
•<br />
⎧<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
− aα<br />
tgα<br />
•<br />
⎪<br />
⎧0<br />
⎧ a<br />
•<br />
aα<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪ aα<br />
•<br />
( B)<br />
= ⎨−<br />
+ ⎨α<br />
∧ ⎨atgα<br />
= ⎨−<br />
+ a<br />
2<br />
⎪ cos ⎪ ⎪ ⎪<br />
⎪ 0 R ⎩0<br />
R ⎩ 0<br />
R ⎩<br />
⎪ 0 cos α<br />
2<br />
α<br />
α<br />
0<br />
0<br />
0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
0<br />
→<br />
255
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3- Coordonnées du C.I.R. (centre instantanée de rotation).<br />
a) Géométriquement<br />
On sait que la vitesse du centre instantané est nulle. En utilisant la relation de la cinématique du<br />
solide nous pouvant déterminer la vitesse du point I à partir de A où de B :<br />
→ →<br />
→ −→ → →<br />
→ ⎧<br />
−→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0 ⎪V<br />
V ( I)<br />
= V ( A)<br />
+ Ω1<br />
∧ AI = 0 ⇔ V ( A)<br />
= Ω1<br />
∧ IA ⇒ ⎨<br />
⎪<br />
⎩V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
( A)<br />
⊥Ω<br />
( A)<br />
⊥ IA<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
V ( I)<br />
= V ( B)<br />
+ Ω ∧ BI = 0 ⇔ V<br />
→<br />
→<br />
0<br />
→ ⎧<br />
−→<br />
0 ⎪V<br />
( B)<br />
= Ω1<br />
∧ IB ⇒ ⎨<br />
⎪<br />
⎩V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
( B)<br />
⊥Ω<br />
( B)<br />
⊥ IB<br />
Alors, en traçant une perpendiculaire à V<br />
0 ( A)<br />
en A et une autre perpendiculaire à V 0 ( B)<br />
en B,<br />
l’intersection de ces deux droites nous donne le centre instantané de rotation.<br />
→<br />
→<br />
a) Analytiquement<br />
On doit chercher les coordonnées du centre instantané de rotation. Le mouvement de la barre est<br />
⎧x<br />
→ →<br />
⎪<br />
0<br />
un mouvement plan. On cherche un point I ⎨y<br />
tel que V ( I)<br />
= 0 . en effet nous avons :<br />
⎪<br />
⎩0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
V ( I)<br />
= V ( A)<br />
+ Ω ∧ AI = 0 ⇔<br />
→<br />
⎧ 0<br />
•<br />
⎪<br />
aα<br />
⎨−<br />
+<br />
2<br />
⎪ cos α<br />
⎪ 0 R<br />
⎩<br />
0<br />
R<br />
0<br />
⎧0<br />
⎧ x ⎧0<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
⎨0+<br />
⎨y<br />
+ atgα<br />
= ⎨0<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
⎩α<br />
R ⎩ 0 ⎩0<br />
0<br />
( + atg ) = 0<br />
− • α y α ⇒ y = −atgα<br />
•<br />
aα<br />
•<br />
− + α x = 0<br />
cos 2 α<br />
⇒<br />
a<br />
x =<br />
2<br />
cos α<br />
256
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 07 :<br />
Un cône de rayon R, de hauteur h et demi angle au sommet α , en contact avec le plan<br />
horizontal (OX 0 Y 0 ) suivant l’une de ses génératrices. Le cône roule sans glisser sur le plan<br />
(OX 0 Y 0 ) . Le repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
→<br />
est le repère fixe.<br />
1) Déterminer la vitesse de rotation Ω 0 2<br />
du cône dans le repère R1<br />
( O,<br />
x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
;<br />
2) Ecrire la condition de roulement sans glissement ;<br />
•<br />
0<br />
3) En déduire la relation liant, Ω<br />
2<br />
, ψ et α ;<br />
4) En déduire<br />
→<br />
0<br />
Ω 2<br />
→<br />
en fonction de , R et h .<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z<br />
1<br />
→<br />
z<br />
0<br />
•<br />
ψ<br />
→<br />
y 1<br />
→<br />
x<br />
0<br />
O<br />
ψ<br />
→<br />
u<br />
α<br />
ψ • →<br />
C<br />
θ<br />
A<br />
y 2<br />
•<br />
ϕ<br />
→<br />
→<br />
x 1, x 2<br />
→<br />
y<br />
0<br />
→ −→ −→<br />
→ →<br />
−→ −→<br />
u ∈ OA OA ∈ au plan ( x0<br />
, y0<br />
) α = ( OA,<br />
OC)<br />
Solution :<br />
−→<br />
−→<br />
OC = h ; CA = R ; α = ( OA,<br />
OC)<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) repère fixe ;<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
R O,<br />
x , y , z ) en rotation tel que :<br />
→ • →<br />
0<br />
Ω1 = ψ z0<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
→ →<br />
≡<br />
2<br />
R C,<br />
x , y , z ) lié au cône tel que : x 1<br />
x et Ω<br />
→ • →<br />
1<br />
2<br />
= ϕ x1<br />
→<br />
→ → →<br />
→ →<br />
→<br />
O , x ) est l’axe du cône ; O , y ) ∈ ( x , y ) et ( O,<br />
y ) ⊥(<br />
O,<br />
x ) l’axe O , z ) termine la<br />
(<br />
1<br />
construction du trièdre directe.<br />
(<br />
1 0 0<br />
1<br />
1<br />
(<br />
1<br />
→ → →<br />
Soit u le vecteur unitaire porté par la génératrice OA du cône. Nous avons : ψ = ( x 0 , u )<br />
261
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
1. Vecteur rotation instantanée du cône par rapport au repère R0<br />
→ → → • → • →<br />
0 1 0<br />
Ω<br />
2<br />
= Ω<br />
2<br />
+ Ω1<br />
= ϕ x1<br />
+ ψ z0<br />
Or , nous avons :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z0 = sinα<br />
x1<br />
+ cosα<br />
z1<br />
→<br />
z 1<br />
α<br />
→<br />
z 0<br />
→ →<br />
x 1 ≡ x 2<br />
→<br />
• → •<br />
→<br />
0 ⎛<br />
Ω<br />
2<br />
= ϕ x1<br />
+ ψ ⎜sinα<br />
x1<br />
+ cosα<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
x 0<br />
O<br />
ψ<br />
α<br />
A<br />
→<br />
y<br />
0<br />
→ • •<br />
→ • →<br />
0 ⎛ ⎞<br />
Ω<br />
2<br />
= ⎜ϕ<br />
+ ψ sinα<br />
⎟ x1<br />
+ ψ cosα<br />
z1<br />
⎝<br />
⎠<br />
2. Condition de roulement sans glissement ;<br />
Du fait du roulement sans glissement du cône sur le plan horizontal, tous les points en contact<br />
du plan suivant la génératrice OA ont une vitesse nulle, en particulier les points O et A.<br />
Comme les deux points appartiennent au même solide, nous pouvons écrire :<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
2<br />
−→<br />
V ( A)<br />
= V ( O)<br />
+ Ω ∧ OA = 0 or V<br />
→<br />
→<br />
0 ( O<br />
→<br />
) = 0<br />
ce qui donne :<br />
→<br />
0<br />
−→<br />
→<br />
Ω<br />
2<br />
∧ OA = 0<br />
, cette expression montre que<br />
→<br />
0<br />
2<br />
Ω<br />
//<br />
−→<br />
OA<br />
−→<br />
→<br />
⊥ 0<br />
→<br />
Ω z →<br />
2 0<br />
0<br />
or nous savons que OA z alors nous avons aussi : ⊥ se qui se traduit par :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0<br />
Ω<br />
2<br />
• z<br />
0<br />
= 0 en remplaçant Ω 0 2<br />
par son expression on obtient :<br />
→<br />
→<br />
•<br />
⎝ + •<br />
→ → •<br />
→ →<br />
0<br />
Ω<br />
2<br />
• z<br />
0<br />
= 0 ⎜ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
⇔ ϕ ψ sinα<br />
⎟ x1 • z0<br />
+ ⎜ψ<br />
cosα<br />
⎟ z1<br />
• z0<br />
= 0<br />
⎠ ⎝ ⎠<br />
→ → → → → →<br />
π<br />
x<br />
cos( , )<br />
1<br />
• z0<br />
= x1<br />
z0<br />
x1<br />
z0 = cos( −α)<br />
= sinα<br />
2<br />
→ → → →<br />
z<br />
1<br />
• z0<br />
= z1<br />
z0<br />
=<br />
cosα cosα<br />
• •<br />
•<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
⎜ϕ + ψ sin α ⎟sinα<br />
+ ⎜ψ<br />
cosα<br />
⎟cosα<br />
= 0 ⇒ • ϕ sin α + ψ<br />
•<br />
= 0 ⇔<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
•<br />
ϕ =<br />
•<br />
ψ<br />
−<br />
sinα<br />
262
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ •<br />
0<br />
3. Relation liant, Ω<br />
2<br />
, ψ et α<br />
•<br />
→<br />
On remplace ϕ dans l’expression de Ω 0 2<br />
, ce qui donne :<br />
→<br />
0<br />
Ω<br />
2<br />
⎛<br />
⎜<br />
=<br />
⎜<br />
⎝<br />
•<br />
⎞<br />
ψ<br />
•<br />
⎟<br />
− + ψ sinα<br />
sin ⎟<br />
x<br />
α<br />
⎠<br />
→ • →<br />
1+<br />
ψ cosα<br />
z1<br />
•<br />
⎛ cosα<br />
→<br />
= ψ cosα⎜−<br />
x1<br />
+ z<br />
⎝ sinα<br />
→<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
0<br />
4. Ω en fonction de , R et h<br />
2<br />
ψ •<br />
Comme nous avons<br />
R<br />
sin α =<br />
et<br />
2 2<br />
R + h<br />
cosα<br />
=<br />
R<br />
2<br />
h<br />
+ h<br />
2<br />
On obtient :<br />
+ h<br />
•<br />
⎛ h<br />
→<br />
ψ ⎜−<br />
x1<br />
+<br />
⎝ R<br />
→<br />
→<br />
0<br />
Ω<br />
2<br />
=<br />
z1<br />
2 2<br />
R<br />
h<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
Exercice N°08 :<br />
Soit le dispositif mécanique composé d’une barre homogène AB de longueur L, de masse m et<br />
d’une hélice de rayon R, de masse M. Le point A de la barre se déplace sur l’axe<br />
•<br />
→ →<br />
barre tourne avec une vitesse angulaire constante ψ autour de l’axe x 1 ≡ x 2<br />
. L’hélice tourne<br />
→ →<br />
•<br />
autour de l’axe y 2 ≡ y 3<br />
avec une vitesse angulaire constante : ϕ .<br />
→<br />
y 0<br />
et la<br />
→<br />
z<br />
0<br />
L<br />
O<br />
y (t)<br />
→<br />
z<br />
2<br />
A<br />
→<br />
z<br />
1<br />
ψ<br />
B<br />
•<br />
ϕ<br />
→ →<br />
y 2 ≡ y 3<br />
→ →<br />
y 0 ≡ y 1<br />
→<br />
z 2<br />
B<br />
ϕ<br />
M<br />
ϕ<br />
→<br />
x 3<br />
→<br />
z 3<br />
→<br />
x 2<br />
→<br />
x 0<br />
→<br />
x<br />
1<br />
On prendra<br />
R 2<br />
comme repère relatif et de projection.<br />
263
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le moment d’inertie de l’hélice au point B , exprimé dans le repère<br />
R 2<br />
est donné par:<br />
I<br />
B / R2<br />
⎡C<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
2C<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
C⎥⎦<br />
R<br />
2<br />
Déterminer:<br />
1. Le centre d’inertie du système barre + hélice dans le repère R 2<br />
;<br />
2. Le tenseur d’inertie du système barre + hélice au point A dans le repère R 2<br />
;<br />
3. La matrice de passage de vers et de vers R ;<br />
R1<br />
R2<br />
R3<br />
2<br />
→<br />
Ω3<br />
0<br />
0<br />
4. La vitesse de rotation instantanée de l’hélice par rapport à R ;<br />
→<br />
5. La vitesse V<br />
0 ( A)<br />
et l’accélération γ<br />
0 ( A)<br />
par dérivation ;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
6. La vitesse V 0 ( B)<br />
et l’accélération γ<br />
0 ( B)<br />
par par la cinématique du solide ;<br />
7. La vitesse et l’accélération absolues du points M par composition de mouvement ;<br />
Exercice 09 :<br />
Une tige homogène de longueur AB = L et de centre G est en mouvement tel que, son<br />
extrémité A soit assujetti à se déplacer suivant l’axe vertical<br />
→<br />
( O,<br />
z0<br />
) d’un repère orthonormé<br />
→ → →<br />
(<br />
0 0 0<br />
→ →<br />
(<br />
0 0<br />
fixe R O,<br />
x , y , z ) . L’autre extrémité B est en mouvement quelconque dans le plan x , y ) .<br />
1. Déterminer le nombre de paramètres nécessaires pour décrire totalement le mouvement de<br />
la tige et construire les différents repères permettant de faire l’étude cinématique de la<br />
tige ;<br />
2. Déterminer la vitesse instantanée de rotation de la barre par rapport à R0<br />
3. Déterminer les différentes figures planes et les matrices de passage;<br />
4. Déterminer la vitesse et l’accélération absolue des points A, B et G exprimé dans le<br />
repère R 1<br />
.<br />
264
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
z<br />
0<br />
→<br />
z 2<br />
θ<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
→<br />
x 0<br />
A<br />
O<br />
G<br />
B<br />
→<br />
y 0<br />
→<br />
x 0<br />
A<br />
O<br />
θ<br />
ψ<br />
G<br />
B<br />
→<br />
y 1<br />
→<br />
x 1<br />
→<br />
y<br />
→<br />
x<br />
2<br />
1<br />
→<br />
y<br />
→<br />
y<br />
2<br />
0<br />
Solution :<br />
1. Repères et paramètres permettant l’étude du mouvement de la tige<br />
AB = L ;<br />
→<br />
A ∈ O,<br />
z ) tous le temps, B ∈ x 0<br />
Oy )<br />
(<br />
0<br />
(<br />
0<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R x , y , z ) : repère fixe ;<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ →<br />
0<br />
≡ z 1<br />
→ → → →<br />
0<br />
,<br />
1 0<br />
y1<br />
R x , y , z ) un repère tel que : z , ( x x ) = ( y , ) = ψ et<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
→ →<br />
1<br />
≡ y 2<br />
→ → → →<br />
x1,<br />
x2<br />
) = ( z1,<br />
z2<br />
R x , y , z ) un repère tel que : y , ( ) = ψ et<br />
→ • → • →<br />
0<br />
Ω1 ≡ψ z0<br />
= ψ z1<br />
→ • → • →<br />
1<br />
Ω<br />
2<br />
≡ −θ<br />
y1<br />
= −θ<br />
y2<br />
on a ainsi : AB ∈ R 2<br />
tel que :<br />
−→<br />
BA<br />
L z<br />
→<br />
=<br />
2<br />
Les deux angles ψ et θ sont suffisant pour décrire entièrement le mouvement de la barre<br />
par rapport au repère R 0<br />
.<br />
2. Vitesse instantanée de rotation de la barre par rapport à R0<br />
Nous avons :<br />
→<br />
0<br />
Ω<br />
2<br />
→<br />
1<br />
2<br />
≡ Ω<br />
→<br />
0<br />
1<br />
+ Ω<br />
• →<br />
≡ −θ<br />
y<br />
1<br />
⎧ 0<br />
• →<br />
•<br />
⎪<br />
1=<br />
⎨−θ<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩ ψ<br />
1<br />
+ ψ z<br />
265
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3. Figure plane de chaque repère ;<br />
3.1. Matrice de passage du repère R0<br />
vers R1<br />
Matrice de passage de<br />
R vers R1<br />
0<br />
→<br />
y<br />
1<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ x0<br />
⎟ ⎛cosψ<br />
⎜ → ⎟ ⎜<br />
⎜ y0<br />
⎟ = ⎜ sinψ<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
z0<br />
⎝ 0<br />
⎝ ⎠<br />
− sinψ<br />
cosψ<br />
0<br />
⎛<br />
0⎞⎜<br />
x<br />
⎟⎜<br />
0⎟⎜<br />
y<br />
1⎟⎜<br />
⎠<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
P<br />
R 0→<br />
R 1<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
O<br />
→<br />
x 0<br />
ψ<br />
ψ<br />
→<br />
x 1<br />
→<br />
y<br />
0<br />
3.1. Matrice de passage du repère R2<br />
vers R1<br />
⎛<br />
⎜ x<br />
⎜<br />
⎜ y<br />
⎜<br />
z<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
Ω<br />
2<br />
→<br />
2<br />
→<br />
2<br />
→<br />
2<br />
→<br />
⎞<br />
⎛ ⎞<br />
⎟ ⎛ cosθ<br />
0 sinθ<br />
⎞⎜<br />
x1<br />
⎟ ⎜<br />
⎟⎜<br />
→<br />
⎟ = ⎜ 0 1 0 ⎟⎜<br />
y1<br />
⎟ ⎜<br />
⎟<br />
→<br />
⎜<br />
⎝−<br />
sinθ<br />
0 cosθ<br />
⎠<br />
z ⎟ ⎟⎟⎟⎟ 1<br />
⎠<br />
⎝ ⎠<br />
P<br />
R 2→ R 1<br />
• →<br />
≡ −θ<br />
y<br />
1<br />
• →<br />
+ ψ z<br />
1<br />
•<br />
→<br />
→ • →<br />
(<br />
0<br />
+ cosψ<br />
y0<br />
) + ψ z0<br />
= −θ<br />
−sinψ<br />
x<br />
→ →<br />
B<br />
y 1 ≡ y 2<br />
→<br />
x 1<br />
θ<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
θ sinψ<br />
•<br />
= ⎨−θ<br />
cosψ<br />
•<br />
⎪<br />
⎪ ψ<br />
R ⎩<br />
0<br />
θ<br />
→<br />
x<br />
2<br />
→<br />
z<br />
2<br />
→<br />
z<br />
1<br />
On prendra<br />
R 1<br />
comme repère de projection car les expressions cinématiques sont plus<br />
simples dans ce repère.<br />
4. Vitesse et Accélération absolue des points A, B et G exprimé R 1<br />
.<br />
⎧ 0<br />
⎧Lsinθ<br />
−→<br />
−→<br />
⎪<br />
⎪<br />
Nous avons : OA=<br />
⎨ 0 , OB = ⎨ 0 ,<br />
⎪<br />
R ⎩L<br />
cosθ ⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
1<br />
⎧ L<br />
−→ −→<br />
⎪ sinθ<br />
−→<br />
OA+<br />
OB<br />
2<br />
OG = =<br />
⎪ ⎪ ⎨ 0<br />
2 L<br />
cosθ<br />
R ⎩ 2<br />
1<br />
→<br />
0<br />
4.1. calcul de V (A) :<br />
1<br />
→<br />
0<br />
V<br />
1<br />
−→<br />
−→<br />
0<br />
1 →<br />
d OA d OA<br />
−→<br />
0<br />
( A)<br />
= = + Ω1<br />
∧ OA<br />
dt dt<br />
⎧ 0 ⎧0<br />
⎧ 0<br />
→<br />
0 ⎪<br />
⎪ ⎪<br />
V ( A)<br />
= ⎨ 0 + ⎨0∧<br />
⎨ 0 =<br />
•<br />
•<br />
⎪<br />
⎪ ⎪<br />
R ⎩−<br />
Lθ<br />
sinθ<br />
R ⎩ψ<br />
R ⎩L<br />
cosθ<br />
1<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨ 0<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩−<br />
Lθ<br />
sinθ<br />
1<br />
266
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
0<br />
4.2. calcul de V ( B)<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
V<br />
−→<br />
−→<br />
0<br />
1<br />
→<br />
d OB d OB<br />
−→<br />
0<br />
( B)<br />
= = + Ω1<br />
∧ OB<br />
dt dt<br />
•<br />
⎧<br />
⎧ ⎧<br />
⎪<br />
Lθ<br />
cosθ<br />
0 Lsinθ<br />
⎪ ⎪<br />
( B)<br />
= ⎨ 0 + ⎨0∧<br />
⎨ 0 =<br />
•<br />
⎪ 0 ⎪ ⎪<br />
⎪<br />
⎩ψ<br />
⎩ 0<br />
⎩<br />
R1<br />
R1<br />
R<br />
1<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
Lθ<br />
cosθ<br />
•<br />
⎨Lψ<br />
sinθ<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
La vitesse du point B peut aussi s’obtenir à partir de celle de A par la cinématique du solide :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
2<br />
−→<br />
( B)<br />
= V ( A)<br />
+ Ω ∧ AB<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( B)<br />
=<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎧<br />
⎧ 0 ⎧ 0 ⎧ Lsinθ<br />
⎪<br />
Lθ<br />
cosθ<br />
⎪<br />
Lθ<br />
cosθ<br />
•<br />
•<br />
•<br />
⎪<br />
⎪ ⎪<br />
⎨ 0 + ⎨−θ<br />
∧ ⎨ 0 = ⎨ Lψ<br />
sinθ<br />
= ⎨Lψ<br />
sinθ<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
⎪<br />
⎪ ⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
R ⎩−<br />
Lθ<br />
sinθ<br />
⎩ ψ ⎩−<br />
cosθ<br />
⎪−<br />
θ sinθ<br />
+ θ sinθ<br />
0<br />
1<br />
R R L<br />
L L<br />
1<br />
1<br />
R ⎩<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
1<br />
→<br />
0<br />
4.3. calcul de V ( G)<br />
:<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
V<br />
−→<br />
⎧ L<br />
•<br />
⎧ L<br />
⎪ θ cosθ<br />
⎧0<br />
⎪<br />
sinθ<br />
2 ⎪<br />
2<br />
( G)<br />
= ⎨ 0 + ⎨0<br />
∧ ⎨ 0 =<br />
•<br />
•<br />
⎪ L<br />
− θ sinθ<br />
⎪ ⎪L<br />
⎪<br />
⎩ψ<br />
cosθ<br />
⎪<br />
⎩ 2<br />
R1<br />
R<br />
R ⎩ 2<br />
1<br />
−→<br />
0<br />
1<br />
→<br />
d OG d OG<br />
−→<br />
0<br />
( G)<br />
= = + Ω1<br />
∧ OG<br />
dt dt<br />
1<br />
⎧ L<br />
•<br />
⎪ θ cosθ<br />
2<br />
⎪ L<br />
•<br />
⎨ ψ sinθ<br />
⎪ 2<br />
•<br />
⎪ L<br />
− θ sinθ<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
La vitesse du point G peut aussi s’obtenir à partir de celle de A où de B par la cinématique du<br />
solide, en effet nous avons :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
2<br />
−→<br />
( G)<br />
= V ( A)<br />
+ Ω ∧ AG<br />
1<br />
→<br />
0<br />
V ( G)<br />
=<br />
⎧ L<br />
•<br />
⎧ L<br />
⎪ θ cosθ<br />
⎧ 0 ⎧ 0 ⎪<br />
sinθ<br />
2<br />
•<br />
⎪<br />
⎪<br />
2 ⎪ L<br />
•<br />
⎨ 0 + ⎨−θ<br />
∧ ⎨ 0 = ⎨ ψ sinθ<br />
=<br />
•<br />
•<br />
⎪<br />
⎪ ⎪ L<br />
−<br />
⎪ 2<br />
⎩−<br />
θ θ<br />
•<br />
•<br />
R L sin ⎩ ψ cosθ<br />
1<br />
R ⎪<br />
⎪<br />
L<br />
1<br />
R ⎩ 2 − Lθ<br />
sinθ<br />
+ θ sinθ<br />
1<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
1<br />
⎧ L<br />
•<br />
⎪ θ cosθ<br />
2<br />
⎪ L<br />
•<br />
⎨ ψ sinθ<br />
⎪ 2<br />
•<br />
⎪ L<br />
− θ sinθ<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
1<br />
267
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
268<br />
A.KADI<br />
4.4. calcul de :<br />
(A)<br />
0<br />
→<br />
γ<br />
A<br />
V<br />
dt<br />
A<br />
V<br />
d<br />
dt<br />
A<br />
V<br />
d<br />
A<br />
1<br />
0<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
0<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0<br />
0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∧<br />
+ Ω<br />
=<br />
=<br />
γ<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
=<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
+<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
=<br />
•<br />
••<br />
•<br />
•<br />
•<br />
••<br />
→<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
cos<br />
sin<br />
0<br />
0<br />
sin<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
cos<br />
sin<br />
0<br />
0<br />
)<br />
(<br />
2<br />
1<br />
1<br />
1<br />
2<br />
1<br />
0<br />
L<br />
L<br />
R<br />
L<br />
R<br />
R<br />
L<br />
L<br />
R<br />
A<br />
V<br />
4.5. calcul de :<br />
(B)<br />
0<br />
→<br />
γ )<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
0<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0<br />
0<br />
B<br />
V<br />
dt<br />
B<br />
V<br />
d<br />
dt<br />
B<br />
V<br />
d<br />
B<br />
1<br />
0 →<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∧<br />
+ Ω<br />
=<br />
=<br />
γ<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
+<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
+<br />
−<br />
=<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
••<br />
•<br />
••<br />
→<br />
0<br />
sin<br />
cos<br />
0<br />
0<br />
0<br />
cos<br />
sin<br />
sin<br />
cos<br />
)<br />
(<br />
1<br />
1<br />
2<br />
1<br />
0<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
ψ θ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
L<br />
L<br />
R<br />
R<br />
L<br />
L<br />
L<br />
L<br />
R<br />
B<br />
V<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
+<br />
+<br />
−<br />
=<br />
•<br />
•<br />
••<br />
•<br />
•<br />
••<br />
→<br />
0<br />
cos<br />
2<br />
sin<br />
)sin<br />
(<br />
cos<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
1<br />
0<br />
θ<br />
ψ θ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
L<br />
L<br />
L<br />
L<br />
L<br />
R<br />
B<br />
V<br />
4.6. calcul de :<br />
(G)<br />
0<br />
→<br />
γ )<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
0<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0<br />
0<br />
G<br />
V<br />
dt<br />
G<br />
V<br />
d<br />
dt<br />
G<br />
V<br />
d<br />
G<br />
1<br />
0 →<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∧<br />
+ Ω<br />
=<br />
=<br />
γ<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
+<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
+<br />
−<br />
=<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
••<br />
•<br />
•<br />
••<br />
•<br />
••<br />
→<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
ψ θ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
γ<br />
sin<br />
2<br />
sin<br />
2<br />
cos<br />
2<br />
0<br />
0<br />
cos<br />
2<br />
sin<br />
2<br />
cos<br />
2<br />
sin<br />
2<br />
sin<br />
2<br />
cos<br />
2<br />
)<br />
(<br />
1<br />
1<br />
2<br />
2<br />
1<br />
0<br />
L<br />
L<br />
L<br />
R<br />
R<br />
L<br />
L<br />
L<br />
L<br />
L<br />
L<br />
R<br />
B<br />
L<br />
L<br />
L<br />
L<br />
L<br />
L<br />
L<br />
R<br />
B<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
+<br />
−<br />
−<br />
=<br />
•<br />
••<br />
•<br />
•<br />
••<br />
•<br />
•<br />
••<br />
→<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
ψ θ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
ψ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
θ<br />
γ<br />
cos<br />
2<br />
sin<br />
2<br />
cos<br />
sin<br />
2<br />
sin<br />
2<br />
sin<br />
2<br />
cos<br />
2<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
1<br />
0
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CHAPITRE VII<br />
CINEMATIQUE DES SOLIDES EN CONTACTS<br />
276
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CINEMATIQUE DES SOLIDES EN CONTACT<br />
1. Mouvement de deux solides en contact<br />
Soient deux solides ( S 1<br />
) et ) liés aux repères et R mobiles par rapport à un<br />
( S 2<br />
R1<br />
2<br />
repère fixe<br />
R 0<br />
. Les deux solides en mouvement sont assujettis à un contact ponctuel à tout<br />
instant en un point fixe I appartenant au plan (π ) tangent en ce point aux deux solides.<br />
→<br />
n : la normale au plan ) (π<br />
Ω → t<br />
∈ (π )<br />
Ω → n<br />
⊥(π )<br />
Au point de contact des deux solides<br />
S 2<br />
Γ 2<br />
I 2<br />
I 1<br />
→<br />
Ω n<br />
→<br />
n<br />
I<br />
→<br />
Ω t<br />
(π<br />
nous pouvons distinguer :<br />
S 1<br />
Γ 1<br />
- I1 ∈ S 1<br />
: point du solide S1<br />
en contact avec le solide S2<br />
à l’instant t ;<br />
- I<br />
2<br />
∈ S 2<br />
: point du solide S2<br />
en contact avec le solide S1<br />
au même instant t ;<br />
- I ∈ R 0<br />
: la position commune de I1 ∈ S1<br />
et I<br />
2<br />
∈ S<br />
2<br />
au même instant t ;<br />
Le point géométrique I n’appartient ni à ni à . Les points I,<br />
I I occupent<br />
S1<br />
S ,<br />
2<br />
1 2<br />
géométriquement la même position mais ils ont des rôles cinématiques différents.<br />
L’ensemble des points<br />
L’ensemble des points<br />
L’ensemble des points<br />
I ∈ constitue une courbe Γ d’écrite sur le plan ( π )<br />
R 0<br />
I1 ∈ S 1<br />
constitue une courbe Γ<br />
1<br />
d’écrite sur le solide S1<br />
I<br />
2<br />
∈ S 2<br />
constitue une courbe Γ<br />
2<br />
d’écrite sur le solide S2<br />
La vitesse de glissement du solide du solide par rapport au solide S appartient au plan<br />
S2<br />
1<br />
(π ) tangent au point de contact. Soit un point du solide et M un point du solide<br />
M1<br />
S1<br />
2<br />
277
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
S<br />
2<br />
; d’après ce que l’on a vu précédemment sur le champ des vitesses des points d’un solide,<br />
nous pouvons écrire dans le repère fixe :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
V<br />
1<br />
→<br />
→ −−−→<br />
0<br />
0<br />
= V ( M<br />
1)<br />
+ Ω1<br />
∧ M<br />
1 1<br />
( I )<br />
I<br />
2<br />
→<br />
→ −−−→<br />
0<br />
0<br />
= V ( M<br />
2<br />
) + Ω<br />
2<br />
∧ M<br />
2 2<br />
( I )<br />
I<br />
La vitesse de glissement du solide par rapport au solide S est donnée par la relation :<br />
S2<br />
1<br />
→<br />
V g<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
( I)<br />
= V ( I<br />
2<br />
) −V<br />
( I1)<br />
Comme les trois points occupent la même position géométrique nous pouvons écrire :<br />
→<br />
V g<br />
→<br />
→<br />
→ −−−→ → −−−→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
= V ( M<br />
2<br />
) −V<br />
( M<br />
1)<br />
+ Ω<br />
2<br />
∧ M<br />
2I<br />
2<br />
− Ω1<br />
∧ M<br />
1 1<br />
( I)<br />
I<br />
→<br />
V g<br />
→<br />
0<br />
2<br />
→<br />
0<br />
1<br />
→<br />
1<br />
2<br />
−−−−→<br />
( I)<br />
= V ( M ) −V<br />
( M ) + Ω ∧ M M<br />
1<br />
2<br />
Le vecteur rotation du solide par rapport au solide S a pour expression :<br />
S2<br />
1<br />
→<br />
1<br />
2<br />
Ω<br />
→<br />
0<br />
2<br />
= Ω<br />
→<br />
0<br />
1<br />
− Ω<br />
D’où :<br />
→<br />
0<br />
2<br />
Ω<br />
→<br />
1<br />
2<br />
= Ω<br />
→<br />
0<br />
1<br />
+ Ω<br />
on retrouve ici la loi de Chasles.<br />
→<br />
Ω 1 2<br />
S2<br />
1<br />
Le vecteur rotation du solide par rapport au solide S a deux composantes, l’une<br />
tangent et dans le plan Ω → t<br />
∈ (π ) , l’autre normale au plan : ⊥(π ) :<br />
Ω → n<br />
→<br />
0<br />
2<br />
Ω<br />
→<br />
= Ω<br />
t<br />
→<br />
+ Ω<br />
n<br />
→<br />
→<br />
→<br />
1<br />
Ωt = n∧<br />
( Ω ∧ n)<br />
: Vecteur rotation de roulement du solide par rapport au solide S ;<br />
→ → → →<br />
1<br />
n<br />
= ( Ω • n)<br />
n<br />
Ω<br />
2<br />
→<br />
S2<br />
1<br />
S2<br />
S1<br />
2<br />
: Vecteur rotation de pivotement du solide par rapport au solide<br />
En général, lorsque deux solides sont en contact ponctuel, il peut y avoir :<br />
Glissement , roulement et pivotement de l’un sur l’autre.<br />
La condition de roulement sans glissement est vérifiée lorsque la vitesse de glissement est<br />
nulle :<br />
→ →<br />
→<br />
0<br />
0<br />
( I)<br />
V ( I<br />
2<br />
) −V<br />
( I1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
(<br />
2<br />
1<br />
0<br />
0<br />
V g<br />
= ) = 0 ⇔ V I ) = V ( I )<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
Si le solide S<br />
1<br />
est fixe alors : V ( I1)<br />
= 0 ⇒ V ( I<br />
2<br />
) = V ( I1)<br />
= 0<br />
Dans ce cas, quel que soit M ∈ S 2<br />
, avec S2<br />
en roulement sans glissement par rapport au<br />
S 1<br />
→<br />
→<br />
→ −−→<br />
V<br />
1 2 1<br />
0<br />
0<br />
1<br />
solide , nous pouvons écrire : ( M ) = V ( I ) + Ω ∧ I M ;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
278
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
comme V 0 ( I 1<br />
) = 0 alors :<br />
→<br />
→<br />
→ −−→<br />
0<br />
1<br />
V ( M ) = Ω<br />
2<br />
∧ I1M<br />
→ →<br />
V g<br />
S 2<br />
1<br />
• Si (I) = 0 : on dit que le solide roule sans glisser sur le solide S ;<br />
→ →<br />
n = S2<br />
1<br />
• Si Ω 0 : on dit que le solide ne pivote pas sur le solide S ;<br />
→ →<br />
n = S2<br />
1<br />
• Si Ω 0 : on dit que le solide ne roule pas, il glisse sur le solide S ;<br />
1.1. Mouvement de deux solides en contact en plusieurs points<br />
Dans le cas où deux solides sont en contact en plusieurs points, les considérations précédentes<br />
peuvent être reprise en chaque point de contact.<br />
Cas particuliers :<br />
- Si deux solides et S sont en contact en deux points A et B et si la vitesse de<br />
S2<br />
1<br />
glissement en ces deux points est nulle<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
( A)<br />
= V ( B)<br />
= 0<br />
alors le vecteur rotation<br />
→<br />
Ω 1 2<br />
est un vecteur directeur de la droite AB passant par les deux points :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
1<br />
2<br />
−−→<br />
( B)<br />
= V ( A)<br />
+ Ω ∧ AB = 0 ⇒<br />
→<br />
→<br />
1<br />
−−→<br />
→<br />
Ω<br />
2<br />
∧ AB = 0 ⇔<br />
→<br />
1<br />
2<br />
Ω<br />
−−→<br />
// AB<br />
- Si deux solides et S sont en contact en plus de deux points et si la vitesse de<br />
S1<br />
2<br />
glissement est nulle en tous ces points, ils sont nécessairement portés par le même axe<br />
donc ils sont alignés.<br />
1.2 Transmission par friction d’un mouvement de rotation entre deux cylindres<br />
Soient deux cylindres et de rayons respectifs et R liés à un bâti fixe et ayant<br />
S1<br />
S2<br />
R1<br />
2<br />
des mouvement de rotation d’axes respectifs<br />
→<br />
O , z ) et O,<br />
z )<br />
(<br />
1<br />
→<br />
(<br />
2<br />
Leur vitesse de rotation respective est donnée par :<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
Ω1 = Ω1<br />
z1<br />
et<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
Ω<br />
2<br />
= −Ω<br />
2<br />
z1<br />
→<br />
Soit P un point de contact entre les deux solides. Les axes de rotation sont parallèles à : z 1<br />
.<br />
La condition de roulement sans glissement au point P s’écrira : V 0 ( P)<br />
= 0<br />
→<br />
→<br />
279
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le point de contact P peut être associé au solide et S , par la cinématique du solide nous<br />
pouvons écrire : P ∈ ⇒ V<br />
S 1<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
S1<br />
2<br />
1<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−−→<br />
( P)<br />
= V ( O ) + Ω ∧ O P<br />
1<br />
P ∈ S 2<br />
⇒ V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
2<br />
→<br />
0<br />
2<br />
−−→<br />
( P)<br />
= V ( O ) + Ω ∧ O P<br />
2<br />
→<br />
0 P →<br />
O 1 2<br />
or nous avons V ( ) = 0 et les points et O alors :<br />
→<br />
0<br />
1<br />
Ω<br />
∧<br />
−−→ → −−→<br />
0<br />
O1P<br />
= Ω<br />
2<br />
∧ O2<br />
P<br />
→<br />
x 1<br />
R<br />
1<br />
O<br />
2<br />
P<br />
O<br />
1<br />
R<br />
2<br />
→<br />
Ω 0 1<br />
→<br />
Ω 0 2<br />
→<br />
z<br />
→<br />
z<br />
1<br />
1<br />
Dans la transmission de mouvement par friction, les deux cylindres ont des mouvements de<br />
rotation de sens contraire si le contact se fait à l’extérieur et de même sens si le contact se fait<br />
à l’intérieur des cylindres.<br />
Les points O O , P sont alignés. Si O P −R<br />
alors O<br />
1 , 2<br />
−−−→ →<br />
1<br />
=<br />
1<br />
x1<br />
−−−→ →<br />
2P<br />
= R2<br />
x1<br />
D’où :<br />
→ −−→ → −−→<br />
0<br />
0<br />
1<br />
∧ O1P<br />
= Ω<br />
2<br />
∧ O2P<br />
⇔<br />
Ω<br />
→ → → →<br />
0<br />
0<br />
Ω1 z1∧ −R1<br />
x1<br />
= Ω<br />
2<br />
z1∧<br />
R2<br />
x1<br />
0<br />
0<br />
1<br />
R1<br />
= Ω<br />
2R2<br />
− Ω<br />
⇒<br />
Ω<br />
Ω<br />
0<br />
1<br />
0<br />
2<br />
R<br />
= −<br />
R<br />
2<br />
1<br />
Si le contact se fait à l’intérieur (cylindre à l’intérieur du cylindre S ) les deux cylindres<br />
tourneront dans le même sens :<br />
S2<br />
1<br />
D’où :<br />
→ −−→ → −−→<br />
0<br />
0<br />
1<br />
∧ O1P<br />
= Ω<br />
2<br />
∧ O2P<br />
⇔<br />
Ω<br />
→ → → →<br />
0<br />
0<br />
Ω1 z1<br />
∧ R1<br />
x1<br />
= Ω<br />
2<br />
z1∧<br />
R2<br />
x1<br />
0<br />
0<br />
1<br />
R1<br />
= Ω<br />
2R2<br />
Ω ⇒<br />
Ω<br />
Ω<br />
0<br />
1<br />
0<br />
2<br />
=<br />
R<br />
R<br />
2<br />
1<br />
R 1<br />
O<br />
2<br />
O<br />
1<br />
R<br />
2<br />
P<br />
280
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2. Mouvement plan sur plan<br />
2.1. Définition<br />
Le mouvement d’un solide (S) lié à un repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R1<br />
( O1<br />
, x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
par rapport à un repère fixe<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0 0<br />
R O , x , y , z ) est un mouvement plan sur plan si et seulement si, un plan ( ) du solide<br />
reste en coïncidence avec un plan<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0 0<br />
( π 0<br />
) lié au repère R O , x , y , z ) .<br />
On étudie ainsi le mouvement relatif de deux plans, l’un constituant le référentiel fixe. Les<br />
→<br />
vecteurs z sont orthogonaux aux plans P ) et π ) respectivement en O et O .<br />
→<br />
0<br />
≡ z 1<br />
( S<br />
( 0<br />
P S<br />
1<br />
→<br />
z<br />
0<br />
→<br />
z 1<br />
→<br />
y 1<br />
(π 0<br />
→<br />
x<br />
0<br />
o<br />
→<br />
y 0<br />
o 1<br />
I.<br />
→<br />
x 1<br />
(P S<br />
Le vecteur rotation instantané du solide (S) lié à<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R1<br />
( O1<br />
, x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
par rapport au repère fixe<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O0<br />
, x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
est donné par :<br />
→ • →<br />
0<br />
Ω1 = ψ z0<br />
Tous les points du solide se déplacent parallèlement au plan ( π<br />
0<br />
) , leurs vecteurs vitesses sont<br />
aussi parallèles à ce plan, alors ∀P ∈ (S) nous aurons :<br />
→<br />
0<br />
→<br />
→<br />
= f ( t)<br />
x0<br />
+ g(<br />
t)<br />
0<br />
→ →<br />
(<br />
0<br />
0<br />
V ( P)<br />
y ⇒ V P)<br />
• z = 0<br />
0<br />
0<br />
On remarque dans ce cas que l’automoment V ( P)<br />
• Ω = 0 du torseur cinématique<br />
→<br />
→<br />
1<br />
[ ]<br />
⎧<br />
⎪ Ω<br />
0<br />
1<br />
⎨<br />
⎪<br />
0<br />
⎩V<br />
( P)<br />
= →<br />
→<br />
, décrivant le mouvement est nul. En effet nous avons :<br />
C P<br />
0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→ • →<br />
0<br />
0 ⎛<br />
⎞<br />
V ( P)<br />
• Ω1<br />
= ⎜ f ( t)<br />
x0<br />
+ g(<br />
t)<br />
y0<br />
⎟ • ψ z0<br />
= , nous pouvons conclure que :<br />
⎝<br />
⎠<br />
281
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
0<br />
- Si ψ = Cte ⇒ Ω ψ 0 , la résultante du torseur étant nul, alors le torseur est un<br />
1<br />
= •<br />
=<br />
couple et le mouvement est une translation rectiligne sur le plan<br />
torseur reste indéfini ;<br />
( π 0<br />
) , l’axe central du<br />
•<br />
0<br />
- Si ψ varie au cours du temps, alors Ω<br />
1<br />
=ψ , dans ce cas le torseur est un glisseur dont<br />
→<br />
l’axe central est l’axe instantané de rotation orthogonal au plan ( π donc parallèle à .<br />
0<br />
)<br />
z 0<br />
2.2. Paramétrage du solide<br />
la position du solide est déterminée par :<br />
a) La position du point O1 ∈ ( S)<br />
dans le repère R0<br />
est donnée par :<br />
⎧x<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
−−−→ → →<br />
OO1 = x x0<br />
+ y y0<br />
= y<br />
0<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1 1<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0 0<br />
b) L’orientation du repère R O , x , y , z ) par rapport au repère fixe R O , x , y , z )<br />
définie par la vitesse de rotation :<br />
→ • →<br />
0<br />
Ω1 = ψ z0<br />
tel que<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
( x0 , x1<br />
) = ( y0<br />
, y1)<br />
= ψ<br />
Le passage du repère vers le repère R s’exprime par les relations suivantes :<br />
R0<br />
1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
x1 = cosψ<br />
x0<br />
+ sinψ<br />
y0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
y1 = −sinψ<br />
x0<br />
+ cosψ<br />
y0<br />
→ →<br />
z 1 = z 0<br />
R1<br />
0<br />
La matrice de passage de vers R est donnée par :<br />
⎡ cosψ<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
− sinψ<br />
⎢⎣<br />
0<br />
sinψ<br />
P R →<br />
cosψ<br />
1 R0<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
1⎥⎦<br />
Le mouvement plan sur plan est un mouvement à trois degrés de liberté : ( x , y,<br />
ψ ) ; deux<br />
degrés de translation et un degré de rotation.<br />
282
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2.3. Vecteurs vitesse et accélération d’un point quelconque du solide<br />
Si P est un point quelconque du solide (S) , il aura pour coordonnées :<br />
R 1<br />
−−−→ → →<br />
1<br />
=<br />
1<br />
y1<br />
Dans : O P a x + b , le point P est fixe dans le solide.<br />
−−−→<br />
→<br />
→<br />
Dans R<br />
0<br />
: O1P<br />
= a x1<br />
+ b y1<br />
= a(cosψ<br />
x0<br />
+ sinψ<br />
y0<br />
) + b(<br />
−sinψ<br />
x0<br />
+ cosψ<br />
y0<br />
)<br />
−−−→<br />
→<br />
→<br />
O1 P = ( a cosψ<br />
− bsinψ<br />
) x0<br />
+ ( a sinψ<br />
+ b cosψ<br />
) y0<br />
−−−→<br />
=<br />
O P<br />
⎧a<br />
cosψ<br />
− bsinψ<br />
⎪<br />
⎨asinψ<br />
+ bcos<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
ψ<br />
0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Dans R 0<br />
:<br />
−−−→ −−−→ −−−→ → →<br />
→<br />
→<br />
OP = OO1 + O1P<br />
= x x0<br />
+ y y0<br />
+ ( a cosψ<br />
− bsinψ<br />
) x0<br />
+ ( a sinψ<br />
+ b cosψ<br />
) y0<br />
−−−→<br />
=<br />
OP<br />
R<br />
0<br />
⎧x<br />
⎪<br />
⎨y<br />
⎪<br />
⎩<br />
+ a cosψ<br />
− bsinψ<br />
+ asinψ<br />
+ bcosψ<br />
0<br />
La vitesse du point P par rapport à R 0<br />
se déduit de deux façons :<br />
a) Par la cinématique du solide :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( P)<br />
= V<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
x<br />
→<br />
→ −−→ •<br />
0<br />
0<br />
( O1<br />
) + Ω1<br />
∧ O1P<br />
= ⎨y<br />
+<br />
⎪0<br />
⎪⎩<br />
⎧0<br />
⎧a<br />
cosψ<br />
− bsinψ<br />
⎪ ⎪<br />
⎨0<br />
∧ ⎨a<br />
sinψ<br />
+ b cosψ<br />
•<br />
⎪ ⎪<br />
⎩ψ<br />
R ⎩ 0<br />
0<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( P)<br />
=<br />
R<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
x−<br />
( a sinψ<br />
+ b cosψ<br />
) ψ<br />
•<br />
•<br />
⎨y+<br />
( a cosψ<br />
− bsinψ<br />
) ψ<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
⎩<br />
0<br />
b) Par dérivation :<br />
→<br />
0<br />
V ( P)<br />
=<br />
• •<br />
•<br />
⎧<br />
−→<br />
⎪<br />
x−<br />
aψ<br />
sinψ<br />
− bψ<br />
cosψ<br />
0<br />
d OP<br />
• •<br />
•<br />
= ⎨y+<br />
aψ<br />
cosψ<br />
− bψ<br />
sinψ<br />
dt ⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
=<br />
R<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
x−<br />
( a sinψ<br />
+ b cosψ<br />
) ψ<br />
•<br />
•<br />
⎨y+<br />
( a cosψ<br />
− bsinψ<br />
) ψ<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
⎩<br />
0<br />
283
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
L’accélération du point P par rapport à<br />
vitesse V<br />
→<br />
0 ( P<br />
) , dans le même repère.<br />
R 0<br />
se déduit facilement par dérivation du vecteur<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( P)<br />
=<br />
d<br />
0<br />
→<br />
0<br />
V ( P)<br />
=<br />
dt<br />
R<br />
⎧••<br />
••<br />
•<br />
2<br />
⎪x−<br />
( asinψ<br />
+ bcosψ<br />
) ψ − ( a cosψ<br />
− bsinψ<br />
) ψ<br />
••<br />
••<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
⎨y+<br />
( a cosψ<br />
− bsinψ<br />
) ψ − ( asinψ<br />
+ bcosψ<br />
) ψ<br />
⎪<br />
0<br />
⎪<br />
⎩<br />
0<br />
2.4. Centre instantané de rotation<br />
Soient deux points A et B du solide (S) lié à un repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R1<br />
( O1<br />
, x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
en mouvement par<br />
rapport au repère fixe<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0 0<br />
R O , x , y , z ) lié au plan π )<br />
( 0<br />
→<br />
z<br />
0<br />
→<br />
y 0<br />
A<br />
→<br />
V 0 ( A)<br />
Δ(t)<br />
• I(t)<br />
(S)<br />
B<br />
→<br />
V 0 ( B)<br />
(π<br />
0<br />
o<br />
→<br />
x<br />
0<br />
→<br />
→<br />
Comme les vitesses V 0 ( A)<br />
et V 0 ( B ) appartiennent au solide et au plan π ) , nous<br />
pouvons écrire d’après la loi de distribution des vitesses :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
( B)<br />
= V ( A)<br />
+ Ω ∧ AB<br />
→<br />
Ω 0 1<br />
R1<br />
0<br />
où est la vitesse de rotation du repère par rapport au repère R . Le vecteur vitesse<br />
de rotation instantané est normal au plan<br />
Δ (t) est perpendiculaire à ( π ) .<br />
0<br />
( 0<br />
( π 0<br />
) , ce qui entraîne que l’axe instantané de rotation<br />
L’étude sur les torseurs a montré que quel que soit le point pris sur l’axe central d’un torseur,<br />
le moment en ce point est parallèle à l’axe central.<br />
284
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Dans le cas d’un torseur cinématique, tous les points de l’axe instantané de rotation (axe<br />
central) ont une vitesse parallèle à cet axe. De plus dans le cas d’un mouvement plan sur plan<br />
tous les points du solide ont leurs vitesses parallèles au plan ( π ) . Par conséquent, le point<br />
d’intersection I entre le plan ( π<br />
0<br />
) et l’axe instantané de rotation Δ (t)<br />
Ce point est appelé centre instantané de rotation : (C.I.R.)<br />
0<br />
, a une vitesse nulle.<br />
2.4.1. Détermination analytique du centre instantané de rotation (C.I.R.)<br />
Soit P un point quelconque du solide. La loi distribution des vitesses nous permet d’écrire :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
( P)<br />
= V ( I)<br />
+ Ω ∧ IP = Ω ∧ IP<br />
→<br />
La position du C.I.R s’obtient en multipliant vectoriellement cette expression par Ω 0 1<br />
:<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→ → −→ → →<br />
0 ⎛ 0 ⎞ ⎛ ⎞<br />
∧ Ω<br />
0<br />
⎜ ⎟ = ⎜ Ω<br />
0<br />
( P)<br />
∧ Ω1<br />
= Ω1<br />
∧ IP<br />
1 1<br />
⎟ IP<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
0<br />
V ( P)<br />
∧ Ω<br />
d’où : IP =<br />
→<br />
2<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜ Ω<br />
1<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
→<br />
2<br />
−→<br />
- le vecteur<br />
−→<br />
IP est perpendiculaire au vecteur vitesse V 0 ( P)<br />
au point P ;<br />
→<br />
−−→<br />
0<br />
−→<br />
V ( P)<br />
- il a pour module : IP =<br />
0<br />
Ω<br />
1<br />
2.4.2. Détermination géométrique du centre instantané de rotation (C.I.R)<br />
Si le point I est un centre instantané de rotation du solide (S) , nous pouvons le déterminer<br />
géométriquement en connaissant la vitesse de deux points A et B du solide.<br />
En effet nous avons :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
→<br />
0<br />
( A)<br />
= Ω ∧ IA ⇒ V<br />
( A )<br />
−→<br />
⊥ IA<br />
A<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( A)<br />
(S)<br />
B<br />
→<br />
V 0 ( B)<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
→<br />
0<br />
( B)<br />
= Ω ∧ IB ⇒ V<br />
( B)<br />
−→<br />
⊥ IB<br />
I<br />
285
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le centre instantané de rotation (C.I.R.) se trouve à l’intersection des normales aux vecteurs<br />
→<br />
→<br />
0 ( B<br />
vitesses V 0 ( A)<br />
à partir du point A et V ) à partir du point B . Cette méthode est<br />
souvent utilisée pour vérifier les coordonnées du (C.I.R.) déterminé déjà analytiquement.<br />
Dans le cas particulier d’un disque, il est très facile de le vérifier :<br />
Les vitesses aux points A et B sont tangentes aux disques.<br />
En traçant les deux perpendiculaires aux vitesses<br />
Respectivement en A et B, leur point d’intersection<br />
A<br />
est le point I centre du disque ayant une vitesse nulle.<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( A)<br />
B<br />
I<br />
→<br />
V 0 ( B)<br />
3. Base et roulante<br />
Le centre instantané de rotation (C.I.R.) est un point mobile par rapport à<br />
R 0<br />
et par rapport<br />
au repère<br />
R 1<br />
lié au solide. Il décrit deux courbes différentes dans les deux repères, on appelle<br />
alors :<br />
- Base du mouvement : du plans (P S ) du solide sur le plan ( π ) , la trajectoire du point I<br />
dans le repère R 0<br />
;<br />
- Roulante du mouvement : du plans (P S ) du solide sur le plan ( π 0<br />
) , la trajectoire du point<br />
I dans le repère R 1<br />
;<br />
Nous pouvons exprimer le vecteur vitesse du point I dans le repère R 0<br />
, nous avons en effet :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
−→<br />
0<br />
d OI<br />
( I)<br />
=<br />
dt<br />
d<br />
=<br />
0<br />
−→<br />
−→<br />
( OO1<br />
+ O1I<br />
)<br />
= V<br />
dt<br />
→<br />
0<br />
−→<br />
0<br />
d O1I<br />
( O1<br />
) +<br />
dt<br />
En introduisant les coordonnées du point I dans le repère R 1<br />
tel que :<br />
⎧xI<br />
−−→ → →<br />
⎪<br />
O<br />
1I<br />
= xI<br />
x1<br />
+ yI<br />
y1=<br />
⎨yI<br />
;<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
Par la formule de la cinématique du solide nous pouvons écrire :<br />
0<br />
−→<br />
0<br />
d O1I<br />
dt<br />
−→<br />
1<br />
→ −→ → →<br />
d O<br />
−→<br />
1I<br />
0<br />
1<br />
0<br />
= + Ω1<br />
∧ O1<br />
I = V ( I)<br />
+ Ω1<br />
∧ O1<br />
I<br />
dt<br />
286
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
on obtient finalement<br />
→ → →<br />
→ −→<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0<br />
V ( I)<br />
= V ( I)<br />
+ V ( O1<br />
) + Ω1<br />
∧ O1I<br />
Comme le point I est le centre instantané de rotation, son expression analytique est donnée<br />
par :<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
0 0<br />
→<br />
Ω1<br />
∧V<br />
( O1<br />
)<br />
−→ →<br />
0<br />
0<br />
O<br />
1I<br />
=<br />
⇒ Ω<br />
→<br />
2<br />
1<br />
∧ O1I<br />
= −V<br />
( O1<br />
)<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜ Ω<br />
1<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
0<br />
1<br />
On obtient alors : V ( I)<br />
= V ( I )<br />
→<br />
→<br />
Cette égalité indique que la vitesse du centre instantané de rotation est la même dans les deux<br />
repères à et R .<br />
R0<br />
1<br />
Il en résulte que la base et la roulante sont deux courbes tangentes en I à chaque instant.<br />
L’égalité des vitesses au point I dans les deux repères montre que la roulante roule sans<br />
glisser sur la base.<br />
3.1. Equation de la base<br />
O1<br />
R1<br />
0<br />
La position du point centre du repère lié au solide par rapport au repère fixe R est<br />
⎧x<br />
−−→ → →<br />
⎪<br />
définie par ses coordonnées dans le repère R 0<br />
: OO1 = x x0<br />
+ y y0<br />
= ⎨y<br />
;<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
0<br />
La position du point I dans le repère R<br />
1<br />
est donnée par :<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
0 0<br />
Ω1<br />
∧V<br />
( O1<br />
)<br />
O<br />
1I<br />
=<br />
qui s’écrit<br />
→<br />
2<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜ Ω<br />
1<br />
⎟<br />
⎝ ⎠<br />
aussi sous la forme :<br />
• →<br />
→<br />
−→<br />
0<br />
ψ z0<br />
∧V<br />
( O1<br />
)<br />
O<br />
1<br />
I =<br />
, or nous avons :<br />
•<br />
2<br />
ψ<br />
−−→<br />
−−→<br />
−−→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0 • 0<br />
• → • →<br />
0 d OO1<br />
d OO1<br />
d ψ d OO1<br />
dx dy<br />
( O1<br />
) = =<br />
= ψ = ψ x0<br />
+ ψ y0<br />
V<br />
dt<br />
dψ<br />
dt<br />
dψ<br />
dψ<br />
dψ<br />
→<br />
En remplaçant l’expression de V 0 ( )<br />
→<br />
O1 dans celle de nous obtenons :<br />
−<br />
I<br />
−→<br />
O I<br />
1<br />
O1<br />
• → →<br />
0<br />
ψ z<br />
→<br />
→ →<br />
→ →<br />
0<br />
∧V<br />
( O1<br />
) ⎛ dx dy ⎞ dx dy<br />
= = z ∧ ⎜ + ⎟ = −<br />
•<br />
0<br />
x0<br />
y0<br />
y0<br />
x0<br />
2<br />
dψ<br />
dψ<br />
dψ<br />
dψ<br />
ψ<br />
⎝<br />
⎠<br />
287
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Ainsi le vecteur position du point I dans le repère R 0<br />
est exprimé par la relation :<br />
−→ −−→ −→<br />
dy<br />
→<br />
dx<br />
→<br />
OI = OO1<br />
+ O1I<br />
= ( x − x0<br />
) + ( y + y0<br />
)<br />
dψ<br />
dψ<br />
Cette équation définit la trajectoire (appelée base) du centre instantané de rotation dans le<br />
repère R 0<br />
.<br />
⎧<br />
dy<br />
→<br />
⎪<br />
X<br />
I<br />
( t)<br />
= x − x0<br />
dψ<br />
−→<br />
⎪<br />
→<br />
dx<br />
OI = ⎨YI<br />
( t)<br />
= y + y0<br />
⎪ dψ<br />
⎪Z<br />
I<br />
( t)<br />
= 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
3.2. Equation de la roulante<br />
Pour obtenir la trajectoire (appelée roulante) dans le repère<br />
R 1<br />
lié au solide, il suffit<br />
d’exprimer les vecteurs unitaires du repère en fonction de ceux de R . En effet, nous<br />
R0<br />
1<br />
avons d’après la matrice de passage déterminée précédemment :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
x0 = cosψ<br />
x1<br />
− sinψ<br />
x1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
y0 = sinψ<br />
x1<br />
+ cosψ<br />
x1<br />
−→<br />
O I<br />
1<br />
• → →<br />
0<br />
ψ z<br />
→<br />
→ →<br />
→ →<br />
0<br />
∧V<br />
( O1<br />
) ⎛ dx dy ⎞ dx dy<br />
= = z ∧ ⎜ + ⎟ = −<br />
•<br />
0<br />
x0<br />
y0<br />
y0<br />
x0<br />
2<br />
dψ<br />
dψ<br />
dψ<br />
dψ<br />
ψ<br />
⎝<br />
⎠<br />
Alors la trajectoire dans le repère R 1<br />
aura pour équations paramétriques :<br />
⎧ dx dy<br />
⎪<br />
X<br />
I1(<br />
t)<br />
= sinψ<br />
− cosψ<br />
dψ<br />
dψ<br />
−→<br />
⎪<br />
dx dy<br />
O1I<br />
= ⎨YI<br />
1(<br />
t)<br />
= cosψy<br />
+ sinψ<br />
⎪ dψ<br />
dψ<br />
⎪ Z<br />
I1(<br />
t)<br />
= 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
En connaissant la matrice de passage de vers R , il est très facile de déduire la trajectoire<br />
R0<br />
1<br />
de la roulante à partir de la base où inversement.<br />
288
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CHAPITRE VIII<br />
CINETIQUE<br />
290
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CINETIQUE<br />
1. Définition<br />
La résultante cinétique (quantité de mouvement), le moment cinétique (moment de la<br />
quantité de mouvement), la résultante dynamique (quantité d’accélération), le moment<br />
dynamique et l’énergie cinétique, constituent les éléments de la cinétique.<br />
La cinétique a pour objet l’étude des relations entre les éléments de la cinématique et la<br />
géométrie des masses.<br />
2. Résultante cinétique, moment cinétique<br />
- La résultante cinétique (quantité de mouvement) d’un point matériel M , de masse m et<br />
de vitesse (M ) est définie par la grandeur vectorielle :<br />
V → → →<br />
P = mV (M ) ;<br />
→<br />
σ A<br />
- Le moment cinétique du point matériel M en un point A quelconque de l’espace est<br />
donné par le moment de la quantité de mouvement en A , il a pour grandeur :<br />
→<br />
A<br />
−−→<br />
→<br />
σ = AM ∧ mV (M )<br />
2.1. Quantité de mouvement d’un système matériel (S)<br />
a) Système matériel discret :<br />
Le système est constitué d’un ensemble de point M i de masse m i et de vitesses<br />
V →<br />
( M<br />
i<br />
)<br />
dans<br />
un repère R.<br />
- La résultante cinétique (quantité de mouvement) du système est donnée par la grandeur<br />
vectorielle : P → = ∑ m V<br />
→<br />
( )<br />
i<br />
i<br />
M i<br />
→<br />
σ A<br />
- Le moment cinétique du système matériel (S) en un point A quelconque de<br />
l’espace est donné par le moment de la quantité de mouvement en A , il a pour grandeur<br />
→<br />
vectorielle : σ<br />
A<br />
=<br />
∑<br />
i<br />
−−→<br />
→<br />
AM ∧ m V ( M )<br />
i<br />
i<br />
i<br />
291
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
b) Système matériel continu :<br />
Dans le cas d’un système matériel continu (S) : linéaire, surfacique où volumique nous avons :<br />
- La résultante cinétique (quantité de mouvement) du système matériel continu, est<br />
donnée par la grandeur vectorielle : P → = ∫V<br />
→<br />
( M ) dm ;<br />
→<br />
σ A<br />
S<br />
- Le moment cinétique du système matériel continu (S) en un point A quelconque<br />
de l’espace est donné par le moment de la quantité de mouvement en A , il a pour<br />
grandeur vectorielle : σ<br />
→<br />
A<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
AM ∧V<br />
( M ) dm<br />
3. Torseur cinétique<br />
Soit un solide (S) de masse m et de centre d’inertie G, en mouvement par rapport à un repère<br />
fixe R. Soit M un point de ce solide et deux points A et B quelconque de l’espace mais<br />
connus dans le repère R.<br />
Par définition nous avons les moments cinétiques en A et B qui sont donnés par :<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
σ<br />
A<br />
= ∫ AM ∧V<br />
( M ) dm et σ<br />
B<br />
= ∫<br />
S<br />
→<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
BM ∧V<br />
( M ) dm<br />
→<br />
→<br />
σ −σ<br />
A<br />
B<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
∫<br />
−−→<br />
→<br />
∫<br />
−−→<br />
AM ∧V<br />
( M ) dm − BM ∧V<br />
( M ) dm = ( AM − BM ) ∧V<br />
( M ) dm = AB∧V<br />
( M ) dm<br />
S<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
→ → −−→ →<br />
A<br />
σ<br />
B<br />
= AB∧<br />
V ( M )<br />
S<br />
cette relation est appelée loi de variation du moment cinétique<br />
On constate que le moment cinétique obéit à la loi des transports des moments. Nous pouvons<br />
alors construire un torseur cinétique dont les éléments de réduction sont : la résultante<br />
cinétique et le moment cinétique.<br />
−−→<br />
σ − ∫ dm = AB∧<br />
P<br />
→<br />
[ C]<br />
A<br />
→<br />
⎧<br />
⎪<br />
P =<br />
= ⎨ →<br />
⎪σ<br />
A<br />
=<br />
⎪⎩<br />
∫<br />
S<br />
∫<br />
S<br />
→<br />
V ( M ) dm<br />
−−→<br />
→<br />
AM ∧V<br />
( M ) dm<br />
P<br />
→ = ∫V<br />
→<br />
( M ) dm : résultante cinétique ou quantité de mouvement du système (S)<br />
→<br />
S<br />
∫<br />
−−→<br />
→<br />
σ = AM ∧V<br />
( M ) dm : Moment cinétique au point A du système (S) dans le repère R.<br />
A<br />
S<br />
292
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3.1. Expression de la résultante cinétique d’un système matériel<br />
Soit un solide (S) de masse m et de centre d’inertie G, en mouvement par rapport à un repère<br />
orthonormé fixe<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
. Quel que soit M ∈ (S)<br />
nous avons par définition du centre<br />
d’inertie :<br />
−−→<br />
→<br />
∫ GMdm = 0<br />
S<br />
Les points G et M sont Mobiles dans le repère R(<br />
O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
, nous pouvons écrire :<br />
−−→<br />
−−→<br />
−−→<br />
GM = OM − OG et leurs vitesses sont liées par la relation :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
d GM<br />
dt<br />
−−→<br />
−−→<br />
−−→<br />
d OM d OG<br />
d GM<br />
→ →<br />
= −<br />
⇔ = V ( M ) −V<br />
( G)<br />
dt dt<br />
dt<br />
En dérivant cette expression par rapport au temps sous le signe intégrale, on obtient :<br />
−−→<br />
d GM<br />
→ →<br />
→<br />
⎛<br />
⎞<br />
∫ dm = ∫⎜V<br />
( M ) −V<br />
( G)<br />
⎟dm<br />
= 0<br />
dt ⎝<br />
⎠<br />
S<br />
S<br />
∫ V ( M ) dm = V ( G)<br />
∫ dm = mV ( G)<br />
ce qui donne : P mV (G)<br />
S<br />
→<br />
→<br />
S<br />
→<br />
La résultante du torseur cinétique est la quantité de mouvement du centre de la masse affectée<br />
→<br />
=<br />
de la masse totale du système : P mV (G)<br />
→<br />
→<br />
=<br />
→<br />
3.2. Propriétés du moment cinétique<br />
3.2.1. Théorème de Koënig<br />
Soit<br />
R<br />
0<br />
(<br />
→<br />
→<br />
→<br />
O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
un repère orthonormé fixe. Le référentiel de Koënig (appelé aussi<br />
référentiel barycentrique)<br />
R G<br />
→ →<br />
→<br />
( G,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
est le référentiel lié au centre d’inertie du solide<br />
dont les axes sont parallèles à ceux du repère fixe.<br />
293
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
La vitesse du repère par rapport au repère R est nul :<br />
RG<br />
0<br />
Nous allons chercher une relation entre :<br />
- le moment cinétique du système en G<br />
dans son mouvement par rapport à<br />
R 0<br />
- le moment cinétique du système en G<br />
dans son mouvement par rapport à R G<br />
.<br />
Soit M un point du système matériel :<br />
Sa vitesse dans le repère est donnée par : V<br />
0<br />
et<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
( R G<br />
/ R0<br />
R ( M ) = V ( G)<br />
+ V ( M )<br />
→<br />
G<br />
→<br />
Ω ) = 0<br />
G<br />
→<br />
z<br />
o<br />
→<br />
→ y<br />
x<br />
(S)<br />
→<br />
x<br />
→<br />
z<br />
→<br />
y<br />
Son moment cinétique au point G dans R0<br />
s’écrira :<br />
→<br />
σ<br />
G / R0<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
0<br />
GM ∧V<br />
( M ) dm<br />
Son moment cinétique au point G dans RG<br />
s’écrira :<br />
Nous avons alors :<br />
→<br />
−−→ →<br />
G<br />
G / R<br />
= ∫ GM ∧V<br />
( M )<br />
G<br />
S<br />
σ<br />
dm<br />
→<br />
σ<br />
G / R0<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
−−→ →<br />
→<br />
−−→ →<br />
−−→ →<br />
⎛ 0<br />
G ⎞<br />
0<br />
G<br />
GM ∧ ⎜V<br />
( G)<br />
+ V ( M ) ⎟dm<br />
= ∫ GM ∧V<br />
( G)<br />
dm + ∫ GM ∧V<br />
( M ) dm<br />
⎝<br />
⎠<br />
S<br />
S<br />
or nous avons par définition du centre d’inertie : ∫ GM dm = 0 on obtient finalement :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
= −−→<br />
−−→<br />
−−→<br />
0<br />
G<br />
/<br />
∧ ( ) + ∧ ( ) = ∫<br />
G<br />
G R<br />
∧ ( )<br />
0 ∫ GM dm V G ∫ GM V M dm GM V M<br />
S<br />
S<br />
S<br />
σ<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
dm = σ<br />
G / RG<br />
→<br />
σ<br />
G<br />
R<br />
/ 0<br />
→<br />
= σ<br />
G / RG<br />
Le moment cinétique en G centre d’inertie du système est le même qu’il soit présenté dans le<br />
repère ou dans le repère R .<br />
R0<br />
1<br />
En un point A quelconque de l’espace nous aurons par la formule de transport :<br />
→<br />
→<br />
0<br />
σ<br />
A / R<br />
= σ<br />
/<br />
AG mV ( G)<br />
0 G<br />
+ ∧<br />
Nous avons ainsi le théorème de Koënig pour le moment cinétique.<br />
R G<br />
−−→<br />
→<br />
294
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3.3. Moment cinétique d’un solide (S) indéformable, lié à un repère en mouvement<br />
quelconque par rapport à un repère fixe .<br />
Soit M un point du solide, sa vitesse est donnée par la cinématique du solide, elle a pour<br />
→<br />
i<br />
→<br />
i<br />
k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
−−−→<br />
expression : V ( M ) = V ( O ) + Ω ∧ O M<br />
Le moment cinétique au point Ok<br />
est donné par :<br />
k<br />
R i<br />
→<br />
z k<br />
→<br />
i<br />
∫<br />
−−→<br />
→<br />
i<br />
R k<br />
σ ( O ) = O M ∧V<br />
( M ) dm<br />
k<br />
S<br />
k<br />
→<br />
z i<br />
o<br />
k<br />
(S)<br />
• M<br />
→<br />
y k<br />
o i<br />
→<br />
y i<br />
→<br />
x k<br />
→<br />
x i<br />
En remplaçant l’expression de la vitesse dans celle du moment cinétique, nous obtenons :<br />
→<br />
−−→ →<br />
i<br />
⎛ i<br />
σ ( O<br />
k<br />
) = ∫ Ok<br />
M ∧ ⎜V<br />
( Ok<br />
) + Ω<br />
⎝<br />
S<br />
→<br />
i<br />
k<br />
∧ O<br />
−−−→<br />
k<br />
⎞<br />
M ⎟dm<br />
⎠<br />
→<br />
i<br />
⎛ ⎞<br />
σ ( O<br />
k<br />
) = ∫<br />
σ<br />
−−→ →<br />
−−→ → −−−→<br />
→ →<br />
i<br />
i<br />
∫ Ok<br />
M ∧V<br />
( Ok<br />
) dm + Ok<br />
M ∧ ⎜Ω<br />
k<br />
∧ Ok<br />
M ⎟dm<br />
= σ<br />
1+<br />
2<br />
S<br />
S ⎝ ⎠<br />
avec :<br />
→ −−→ →<br />
→ −−→ →<br />
i<br />
⎛<br />
−−−→<br />
i ⎞<br />
σ<br />
1<br />
= ∫ O<br />
k<br />
M ∧V<br />
( Ok<br />
) dm et σ 2<br />
= ∫ Ok<br />
M ∧ ⎜Ω<br />
k<br />
∧ Ok<br />
M ⎟dm<br />
⎝ ⎠<br />
S<br />
S<br />
→<br />
Expression de σ 1<br />
:<br />
→<br />
σ 1<br />
→<br />
=<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
−−→<br />
→<br />
i<br />
O G∧V<br />
k<br />
k<br />
→<br />
i<br />
O M ∧V<br />
−−→<br />
→<br />
i<br />
( O ) dm =<br />
k<br />
k<br />
( O ) dm +<br />
∫<br />
∫<br />
S<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
i<br />
GM dm ∧V<br />
∫<br />
→<br />
i<br />
−−→ −−→<br />
⎛ ⎞<br />
⎜OkG+<br />
GM ⎟ ∧V<br />
⎝ ⎠<br />
−−→<br />
( O )<br />
→<br />
i<br />
σ = O G∧V<br />
( O ) dm + GM dm ∧V<br />
( O )<br />
1<br />
k<br />
k<br />
S<br />
S<br />
k<br />
k<br />
( O ) dm<br />
k<br />
295
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Comme G est le centre d’inertie du solide, nous avons alors : ∫ GM dm = 0<br />
→<br />
−−→<br />
i<br />
d’où : σ = O G∧<br />
mV ( O )<br />
→<br />
1 k<br />
k<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
Expression de σ 2<br />
:<br />
→<br />
σ<br />
2<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
⎛<br />
Ok<br />
M ∧ ⎜Ω<br />
⎝<br />
→<br />
i<br />
k<br />
∧ O<br />
−−−→<br />
k<br />
⎞<br />
M ⎟dm<br />
⎠<br />
Afin de développer cette expression, nous utilisons les coordonnées du point M dans le<br />
repère et les composantes du vecteur vitesse de rotation dans le repère R .<br />
R k<br />
→<br />
Ω i k<br />
k<br />
⎧x<br />
−−−→<br />
⎪<br />
Ok M = ⎨y<br />
;<br />
⎪<br />
R ⎩z<br />
k<br />
→<br />
i<br />
k<br />
Ω<br />
⎧Ω<br />
⎪<br />
= ⎨Ω<br />
⎪<br />
R ⎩Ω<br />
k<br />
x<br />
y<br />
z<br />
−−→<br />
⎛<br />
O<br />
k<br />
M ∧ ⎜Ω<br />
⎝<br />
→<br />
i<br />
k<br />
−−−→<br />
∧ O M<br />
k<br />
⎞<br />
⎟=<br />
⎠<br />
⎧x<br />
⎪<br />
⎨y∧<br />
⎪<br />
R ⎩z<br />
R<br />
k<br />
k<br />
⎧Ω<br />
⎪<br />
⎨Ω<br />
⎪<br />
⎩Ω<br />
x<br />
y<br />
z<br />
⎧x<br />
⎪<br />
∧ ⎨y<br />
⎪<br />
R ⎩z<br />
k<br />
⎧x<br />
⎪<br />
= ⎨y∧<br />
⎪<br />
R ⎩z<br />
R<br />
k<br />
k<br />
⎧zΩ<br />
⎪<br />
⎨xΩ<br />
⎪<br />
⎩yΩ<br />
y<br />
z<br />
x<br />
− yΩ<br />
− zΩ<br />
− xΩ<br />
z<br />
x<br />
y<br />
−−→ →<br />
⎛<br />
−−−→<br />
i<br />
Ok<br />
M ∧ ⎜Ω<br />
k<br />
∧ Ok<br />
M<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎟=<br />
⎠<br />
2 2<br />
⎧y(<br />
yΩ<br />
⎧<br />
x<br />
− xΩ<br />
y<br />
) − z(<br />
xΩ<br />
z<br />
− zΩ<br />
x<br />
) Ω<br />
x<br />
( y + z ) − Ω<br />
y<br />
xy − Ω<br />
z<br />
xz<br />
⎪<br />
⎪<br />
2 2<br />
⎨z(<br />
zΩ<br />
y<br />
− yΩ<br />
z<br />
) − x(<br />
yΩ<br />
x<br />
− xΩ<br />
y<br />
) = ⎨− Ω<br />
x<br />
xy + Ω<br />
y<br />
( x + z ) − Ω<br />
z<br />
yz<br />
⎪<br />
⎪<br />
2 2<br />
⎩x(<br />
xΩ<br />
− zΩ<br />
) − y(<br />
zΩ<br />
− yΩ<br />
) ⎩− Ω xz − Ω yz + Ω ( x + z )<br />
R<br />
z x<br />
y z<br />
R<br />
x y z<br />
k<br />
k<br />
→<br />
σ<br />
2<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
⎛<br />
Ok<br />
M ∧ ⎜Ω<br />
⎝<br />
→<br />
i<br />
k<br />
∧ O<br />
⎧<br />
⎪ Ω<br />
⎞<br />
⎪<br />
M ⎟dm=<br />
⎨− Ω<br />
⎠ ⎪<br />
⎪− Ω<br />
R<br />
⎪⎩<br />
−−−→<br />
k<br />
k<br />
∫<br />
x<br />
S<br />
∫<br />
x<br />
S<br />
∫<br />
x<br />
S<br />
( y<br />
cette expression peut s’écrire sous la forme :<br />
2<br />
+ z<br />
2<br />
xydm + Ω<br />
xzdm − Ω<br />
) dm − Ω<br />
∫<br />
y<br />
S<br />
∫<br />
y<br />
S<br />
( x<br />
2<br />
∫<br />
y<br />
S<br />
+ z<br />
2<br />
yzdm + Ω<br />
xydm − Ω<br />
) dm − Ω<br />
∫<br />
z<br />
S<br />
( x<br />
2<br />
∫<br />
z<br />
S<br />
∫<br />
z<br />
S<br />
2<br />
+ z<br />
xzdm<br />
yzdm<br />
) dm<br />
⎡ I<br />
⎢<br />
= ⎢−<br />
I<br />
⎢<br />
⎣−<br />
I<br />
− I<br />
− I<br />
− I<br />
⎤⎡Ω<br />
⎥⎢<br />
⎥⎢<br />
Ω<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎢⎣<br />
Ω<br />
xx xy xz x<br />
→<br />
→<br />
σ<br />
2 xy<br />
I<br />
yy<br />
− I<br />
yz y<br />
⇔ [ ] →<br />
i<br />
σ<br />
2<br />
= I ok<br />
Ω<br />
k<br />
xz<br />
yz<br />
I<br />
zz<br />
z<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
296
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ →<br />
=<br />
1 2<br />
i<br />
on aboutit à l’expression finale : σ ( O ) σ + σ qui s’écrira :<br />
→<br />
i<br />
→<br />
k<br />
−−→<br />
→<br />
i<br />
σ ( O ) = O G∧<br />
mV ( O ) +<br />
k<br />
k<br />
k<br />
[ ] →<br />
i<br />
I Ω<br />
ok<br />
k<br />
Cas particuliers :<br />
- Si le repère R est fixe par rapport à R alors<br />
k<br />
i<br />
→<br />
→<br />
→<br />
i<br />
V ( O ) = 0 ⇒ [ ] →<br />
i<br />
i<br />
σ (O ) = I Ω<br />
k<br />
k<br />
ok<br />
k<br />
- Si le point est confondu avec le centre G alors G = 0 ⇒<br />
O k<br />
−−→ →<br />
→<br />
O k<br />
[ ] →<br />
i<br />
i<br />
σ (G) = I<br />
G<br />
Ω<br />
k<br />
3.4. Théorème de Koënig pour un système matériel (S)<br />
Sous la forme généralisée nous avons :<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
i<br />
k<br />
i<br />
i<br />
k<br />
σ ( M ) = σ ( G)<br />
+ MG∧<br />
mV ( G)<br />
avec σ ( G)<br />
= σ ( G)<br />
Nous pouvons ainsi écrire la relation sous la forme :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
i<br />
i<br />
[ I ] Ω + MG∧<br />
mV ( )<br />
i<br />
σ ( M ) =<br />
G<br />
I<br />
G<br />
: est le moment d’inertie du système en son centre d’inertie.<br />
4. Torseur dynamique<br />
4.1. Définition<br />
G<br />
Soit M un point du système matériel (S) en mouvement par rapport à un repère fixe R.<br />
L’accélération du point M est donnée par :<br />
→<br />
k<br />
→<br />
→<br />
→<br />
d V ( M )<br />
γ ( M ) =<br />
dt<br />
- On appelle résultante dynamique ou (quantité d’accélération) du point M :<br />
D → = ∫ →<br />
γ ( M ) dm ou D → = ∑ m →<br />
i<br />
γ ( M i<br />
)<br />
S<br />
- On appelle moment dynamique, le moment de la résultante dynamique (moment de la<br />
quantité d’accélération) par rapport à un point A du repère R :<br />
→<br />
∫<br />
−−→<br />
→<br />
δ<br />
A<br />
= AM ∧ γ ( M ) dm où δ<br />
A<br />
= ∑ AM<br />
i<br />
∧ mi<br />
γ ( M<br />
i<br />
)<br />
S<br />
→<br />
i<br />
i<br />
−−→<br />
→<br />
297
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
On construit le torseur dynamique avec ces deux grandeurs comme éléments de réduction de<br />
ce torseur. Le torseur dynamique en un point A du repère R s’exprime sous la forme :<br />
[ D]<br />
A<br />
→ →<br />
⎧<br />
⎪<br />
D = ∫γ<br />
( M ) dm<br />
S<br />
= ⎨ → −−→ →<br />
⎪δ<br />
A<br />
= ∧<br />
⎪<br />
∫ AM γ ( M ) dm<br />
⎩ S<br />
où [ D]<br />
A<br />
→<br />
⎧<br />
⎪<br />
D =<br />
= ⎨ →<br />
⎪δ<br />
A<br />
=<br />
⎩<br />
∑<br />
i<br />
∑<br />
i<br />
i<br />
→<br />
m γ ( M )<br />
−−→<br />
i<br />
i<br />
i<br />
→<br />
AM ∧ m γ ( M )<br />
i<br />
Le système étudié n’est pas nécessairement indéformable comme pour le torseur cinétique. Le<br />
moment dynamique obéit aussi de la même manière à la formule de transport des moments.<br />
Les moments dynamiques en deux points quelconques A et B sont liés par :<br />
→<br />
→<br />
A<br />
δ B<br />
−−→<br />
→<br />
δ = + AB∧<br />
D<br />
4.2. Calcul de la résultante dynamique<br />
Soit G le centre d’inertie du système dans le repère R , la résultante dynamique s’écrit :<br />
→<br />
d V ( M ) d<br />
d P d(<br />
mV ( G))<br />
D = →<br />
→<br />
→<br />
∫γ<br />
( M ) dm = ∫ dm = V ( M ) dm = = = m ( G)<br />
dt dt<br />
∫<br />
γ<br />
dt dt<br />
S<br />
S<br />
→<br />
S<br />
→<br />
→<br />
Si la masse du système est constante, la résultante dynamique est égale au produit de la masse<br />
par l’accélération de son centre d’inertie.<br />
→ →<br />
D = m γ (G)<br />
La résultante du torseur dynamique est égale à la quantité d’accélération du centre d’inertie du<br />
système affectée de la masse totale.<br />
4.3. Théorème de Koënig relatif au moment dynamique<br />
Soit<br />
0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
un repère orthonormé fixe. Le référentiel de Koënig (appelé aussi<br />
référentiel barycentrique)<br />
R G<br />
→ →<br />
→<br />
( G,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
est le référentiel lié au centre d’inertie du solide<br />
dont les axes sont parallèles à ceux du repère fixe.<br />
La vitesse du repère par rapport au repère R est nul :<br />
RG<br />
0<br />
→<br />
( R G<br />
/ R0<br />
→<br />
Ω ) = 0<br />
298
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Nous allons chercher une relation entre :<br />
- le moment dynamique du système en G dans son mouvement par rapport à R 0<br />
et<br />
- le moment dynamique du système en G dans son mouvement par rapport à R G<br />
.<br />
→<br />
z<br />
o<br />
→<br />
→ y<br />
x<br />
(S)<br />
→<br />
z<br />
G<br />
→<br />
→ y<br />
x<br />
Soit M un point du système matériel:<br />
Son accélération dans le repère est donnée par :<br />
0<br />
→<br />
0<br />
0<br />
R γ ( M ) = γ ( G)<br />
+ γ ( M )<br />
Son moment dynamique au point G dans R0<br />
s’écrira :<br />
Son moment dynamique au point G dans RG<br />
s’écrira :<br />
→<br />
→<br />
G<br />
→<br />
−−→ →<br />
= ∫ ∧<br />
0<br />
G / R<br />
γ<br />
0<br />
S<br />
δ<br />
GM ( M ) dm<br />
→<br />
−−→ →<br />
G<br />
G / R<br />
= ∫ GM ∧ γ ( M )<br />
G<br />
S<br />
δ<br />
dm<br />
Alors :<br />
⎛<br />
⎞<br />
GM ( M ) dm<br />
→<br />
−−→ →<br />
→<br />
−−→ →<br />
−−→ →<br />
0<br />
G<br />
0<br />
G<br />
G / R<br />
= ∫ ∧ ⎜γ<br />
( G)<br />
+ γ ( M ) ⎟dm<br />
= ∫ GM ∧ γ ( G)<br />
dm + ∫ GM ∧ γ<br />
0<br />
S ⎝<br />
⎠ S<br />
S<br />
δ<br />
→<br />
−−→ →<br />
−−→ →<br />
G<br />
G R<br />
= ∫ dm ∧<br />
0<br />
/<br />
γ ( G)<br />
+ ∫ GM ∧ γ<br />
0<br />
S<br />
S<br />
δ<br />
GM ( M ) dm<br />
or nous avons par définition du centre d’inertie : ∫ GM dm = 0 on obtient finalement :<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
−−→ →<br />
→<br />
G<br />
G / R<br />
= ∧ ( ) =<br />
0 ∫ GM V M dm δ<br />
G / RG<br />
S<br />
δ<br />
→ →<br />
/ R<br />
=<br />
0 G / RG<br />
δ G<br />
δ<br />
Le moment dynamique en G centre d’inertie du système est le même, qu’il soit présenté dans<br />
le repère ou dans le repère R . En un point A quelconque de l’espace nous aurons par la<br />
R0<br />
1<br />
→<br />
formule de transport :<br />
→ → −−→ →<br />
0<br />
A / R<br />
= σ<br />
/<br />
AG mV ( G<br />
0 G R G<br />
+ ∧<br />
σ<br />
)<br />
Nous avons ainsi le théorème de Koënig pour le moment dynamique.<br />
299
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
4.4. Relation entre torseur cinétique et torseur dynamique<br />
Soit A un point quelconque du repère<br />
pas nécessairement un point du système matériel<br />
et un point M du système matériel. Nous avons le moment cinétique au point A qui est<br />
donné par :<br />
σ<br />
→<br />
A<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
Dérivons cette expression :<br />
∫<br />
→<br />
0<br />
AM ∧V<br />
( M ) dm<br />
R 0<br />
→<br />
d →<br />
−−→<br />
0 −−→ →<br />
0<br />
→<br />
⎛<br />
⎞<br />
−−→ 0 0<br />
σ<br />
A d<br />
d AM<br />
d V ( M )<br />
0<br />
0<br />
dt<br />
=<br />
S<br />
⎜ AM ∧V<br />
dt ⎝<br />
−−→<br />
( M ) ⎟dm<br />
=<br />
⎠<br />
∫<br />
S<br />
dt<br />
∧V<br />
( M ) dm +<br />
→<br />
−−→<br />
0<br />
σ<br />
→<br />
A<br />
d<br />
dt<br />
0<br />
→<br />
→<br />
d AM 0<br />
0<br />
or nous avons : = V ( M ) −V<br />
( A)<br />
dt<br />
→<br />
0<br />
σ<br />
→<br />
A<br />
d<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎛ 0<br />
0 ⎞ 0<br />
= ∫ ⎜V<br />
( M ) −V<br />
( A)<br />
⎟ ∧V<br />
( M ) dm + δ<br />
A<br />
⎝<br />
⎠<br />
S<br />
0<br />
→<br />
d AM 0<br />
= ∫ ∧V<br />
( M ) dm + δ<br />
A<br />
dt<br />
S<br />
→<br />
∫<br />
S<br />
AM ∧<br />
dt<br />
dm<br />
0 →<br />
→<br />
d σ<br />
→<br />
A 0<br />
0<br />
⇒ = −V<br />
( A)<br />
∧ mV ( G)<br />
+ δ<br />
A<br />
dt<br />
on obtient ainsi la relation finale entre le moment cinétique et le moment dynamique<br />
→<br />
→ 0<br />
d σ<br />
A<br />
δ<br />
A<br />
=<br />
dt<br />
→<br />
0<br />
+ V<br />
→<br />
0<br />
( A)<br />
∧ mV<br />
( G)<br />
Cette relation ne doit en aucun cas être confondue avec la formule de transport.<br />
4.5. Cas particuliers<br />
Dans certains cas particuliers la dérivée du torseur cinétique est égale au torseur dynamique :<br />
→<br />
→ 0<br />
d σ<br />
A<br />
δ<br />
A =<br />
dt<br />
→<br />
⎧<br />
→<br />
0<br />
⎪1)<br />
A est fixe dans R0<br />
⇔ V ( A)<br />
= 0<br />
→<br />
→<br />
⎪<br />
→<br />
0<br />
0<br />
Si : ⎨2)<br />
A est confondu avec G ⇔ V ( A)<br />
∧ V ( G)<br />
= 0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎪<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
⎪3) V ( A) // V ( G)<br />
= 0 ⇔ V ( A)<br />
∧ V ( G)<br />
= 0<br />
⎩<br />
Dans ces trois cas particuliers seulement, nous pouvons écrire :<br />
→<br />
→ →<br />
= A<br />
⎪⎧<br />
avec et [ ]<br />
A<br />
[ D]<br />
=<br />
D<br />
A ⎨ → C<br />
A<br />
D<br />
d C<br />
dt<br />
⎪⎩ δ<br />
A<br />
⎪⎧<br />
P ⎨<br />
⎪ ⎩ σ<br />
= →<br />
→<br />
A<br />
300
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
5. Energie cinétique<br />
5.1. Définition<br />
L’énergie cinétique d’un système matériel continu (S) en mouvement par rapport à un repère<br />
fixe R0<br />
est définie par la quantité scalaire exprimée par la relation :<br />
5.2. Théorème de Koënig relatif à l’énergie cinétique<br />
→<br />
0 1 ⎛ 0 ⎞<br />
EC = ∫ ⎜V<br />
( M ) ⎟<br />
2 ⎝ ⎠<br />
S<br />
2<br />
dm<br />
Soit<br />
0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R ( O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
un repère orthonormé fixe. Le référentiel de Koënig (appelé aussi<br />
référentiel barycentrique)<br />
R G<br />
→ →<br />
→<br />
( G,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
est le référentiel lié au centre d’inertie du solide<br />
dont les axes sont parallèles à ceux du repère fixe.<br />
La vitesse du repère par rapport au repère R est nul :<br />
RG<br />
0<br />
→<br />
( R G<br />
/ R0<br />
→<br />
Ω ) = 0<br />
Nous allons chercher une relation entre :<br />
- L’énergie cinétique du système dans son mouvement par<br />
rapport à<br />
- L’énergie cinétique du système dans son mouvement par<br />
rapport à<br />
R 0<br />
RG<br />
et<br />
→<br />
x<br />
→<br />
z<br />
o<br />
→<br />
x<br />
→<br />
z<br />
G<br />
→<br />
y<br />
(S)<br />
M .<br />
→<br />
y<br />
Soit M un point du système matériel. La loi de composition des vitesses donne :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
( M ) = V<br />
→<br />
G<br />
( G)<br />
+ V<br />
( M )<br />
en remplaçant cette expression dans celle de l’énergie cinétique nous aurons :<br />
E<br />
0<br />
C<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
1 ⎛<br />
⎜V<br />
2 ⎝<br />
→<br />
0<br />
or nous avons :<br />
( G)<br />
+ V<br />
→<br />
G<br />
⎞<br />
( M ) ⎟<br />
⎠<br />
2<br />
1 ⎛<br />
dm = ⎜V<br />
2 ⎝<br />
−−→<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
( G)<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
G<br />
G d GM<br />
V M ) = dans le repère<br />
dt<br />
2<br />
∫<br />
S<br />
dm +<br />
( RG<br />
∫<br />
S<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( G)<br />
→<br />
G<br />
•<br />
V<br />
( M ) dm +<br />
1<br />
2<br />
∫<br />
S<br />
⎛<br />
⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
G<br />
⎞<br />
( M ) ⎟<br />
⎠<br />
2<br />
dm<br />
E<br />
0<br />
C<br />
=<br />
1 ⎛<br />
⎜V<br />
2 ⎝<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
( G)<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
∫<br />
S<br />
dm + V<br />
d<br />
dt<br />
→<br />
0<br />
( G)<br />
•<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
1<br />
GMdm +<br />
2<br />
∫<br />
S<br />
⎛<br />
⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
G<br />
⎞<br />
( M ) ⎟<br />
⎠<br />
2<br />
dm<br />
nous avons aussi par définition du centre d’inertie que :<br />
−−→<br />
→<br />
∫ GMdm = 0<br />
S<br />
301
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
L’expression de l’énergie cinétique devient :<br />
E<br />
0<br />
C<br />
=<br />
1 ⎛<br />
⎜V<br />
2 ⎝<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
( G)<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
∫<br />
S<br />
1<br />
dm +<br />
2<br />
∫<br />
S<br />
⎛<br />
⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
G<br />
⎞<br />
( M ) ⎟<br />
⎠<br />
2<br />
dm<br />
qui s’écrit aussi sous la forme réduite :<br />
E<br />
0<br />
C<br />
→<br />
1 ⎛ 0 ⎞<br />
= ⎜V<br />
( G)<br />
⎟ dm<br />
2<br />
∫<br />
⎝ ⎠<br />
2<br />
S<br />
+<br />
E<br />
G<br />
C<br />
L’énergie cinétique du système (S) en mouvement quelconque par rapport au repère<br />
R 0<br />
est<br />
égale à l’énergie cinétique du système dans son mouvement autour de son centre d’inertie G<br />
augmentée de l’énergie cinétique du centre d’inertie affecté de la masse totale du système.<br />
Cette relation constitue le théorème de Koënig pour l’énergie cinétique.<br />
5.3 Solide indéformable en mouvement quelconque<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
Soit R O,<br />
x , y , z ) un repère orthonormé fixe et R O , x , y , z ) un repère lié à un<br />
solide indéformable et de centre de d’inertie G.<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1 1<br />
Le solide est en mouvement quelconque tel que O ∈ ( ) . La vitesse de rotation du repère<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
par rapport au repère R est : Ω<br />
1<br />
S<br />
Soit M un point quelconque du solide, nous avons par la cinématique du solide :<br />
→<br />
→<br />
→ −−→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
V ( M ) V ( O1<br />
) + Ω1<br />
∧ O1<br />
= M<br />
L’énergie cinétique du solide (S) est donnée par :<br />
R 1<br />
E<br />
E<br />
0<br />
C<br />
0<br />
C<br />
=<br />
=<br />
∫<br />
S<br />
1 ⎛<br />
⎜V<br />
2 ⎝<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
( M ) ⎟<br />
⎠<br />
2<br />
dm =<br />
∫<br />
S<br />
1 ⎛<br />
⎜V<br />
2 ⎝<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
( O ) + Ω<br />
→<br />
→<br />
→<br />
1 ⎛ ⎞⎛<br />
−−→<br />
0<br />
0<br />
0 ⎞<br />
∫ ⎜V<br />
( M ) ⎟⎜V<br />
( O1<br />
) + Ω ∧ O1M<br />
⎟dm<br />
2 ⎝ ⎠⎝<br />
1<br />
⎠<br />
S<br />
1<br />
−−→<br />
⎞<br />
∧ O M ⎟<br />
⎠<br />
1<br />
2<br />
dm<br />
→<br />
0<br />
= V<br />
( O )<br />
1<br />
→<br />
1 ⎛ 0<br />
•<br />
∫ ⎜V<br />
2<br />
S ⎝<br />
⎞<br />
( M ) ⎟dm<br />
+<br />
⎠<br />
∫<br />
S<br />
1<br />
V<br />
2<br />
→<br />
0<br />
( M ) •<br />
→<br />
→<br />
→ −−→ →<br />
= 1 0<br />
0<br />
0 1<br />
V ( O ) • mV ( G)<br />
+ Ω •<br />
∫ O M ∧V<br />
0<br />
1<br />
1 1<br />
( M ) dm<br />
2<br />
2<br />
S<br />
→<br />
⎛<br />
−−→<br />
0 ⎞<br />
⎜Ω1<br />
∧ O1M<br />
⎟dm<br />
⎝ ⎠<br />
L’expression du moment cinétique déjà développée auparavant est donnée par :<br />
→<br />
∫<br />
0<br />
0<br />
σ ( O ) = O M ∧V<br />
( M ) dm<br />
1<br />
S<br />
−−→<br />
1<br />
→<br />
302
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Nous avons alors l’énergie cinétique en fonction du moment cinétique du solide:<br />
0<br />
E C<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
1 0<br />
0<br />
0 0<br />
= V ( O1<br />
) • mV ( G)<br />
+ Ω1<br />
• σ ( O1<br />
)<br />
2<br />
Si le centre du repère R est confondu avec le centre d’inertie G du solide : O ≡ G alors :<br />
O1<br />
1<br />
1<br />
0<br />
E C<br />
1 →<br />
→ →<br />
⎛ 0 ⎞ 0<br />
= m⎜V<br />
( G)<br />
⎟ + Ω<br />
0<br />
1<br />
• σ ( G)<br />
2 ⎝ ⎠<br />
2<br />
→<br />
0<br />
0<br />
Le moment cinétique en G s’écrit : σ ( G)<br />
I Ω on aboutit à la relation finale :<br />
= G<br />
→<br />
1<br />
E<br />
0<br />
C<br />
→<br />
2 → →<br />
1 ⎛ 0 ⎞ 0T<br />
0<br />
= m⎜V<br />
( G)<br />
⎟ + Ω1<br />
• I<br />
G<br />
Ω1<br />
2<br />
⎝<br />
⎠<br />
2<br />
1 ⎛ →<br />
0 ⎞<br />
m ⎜V<br />
( G)<br />
⎟ : est l’énergie cinétique de translation du solide<br />
2 ⎝ ⎠<br />
→ →<br />
0T<br />
0<br />
Ω1<br />
•<br />
G<br />
Ω1<br />
I : est l’énergie cinétique de rotation du solide autour de son centre d’inertie G.<br />
L’énergie cinétique totale d’un solide en mouvement quelconque dans l’espace est égale à la<br />
somme de l’énergie cinétique de translation de son centre d’inertie affectée de la masse du<br />
solide et de l’énergie cinétique de rotation autour du centre d’inertie.<br />
Cette relation constitue le théorème de Koënig pour l’énergie cinétique.<br />
L’énergie cinétique totale peut s’exprimer en fonction des torseurs cinématiques et cinétique<br />
au point O 1<br />
en la mettant sous la forme :<br />
0<br />
E C<br />
→<br />
⎛ 0 ⎞<br />
1 ⎜ Ω1<br />
⎟<br />
⎜ →<br />
2 ⎟<br />
0<br />
⎝V<br />
( M ) ⎠<br />
= •<br />
→<br />
→<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜mV<br />
( G)<br />
⎟<br />
⎜ ⎟<br />
0<br />
⎝ σ ( O1<br />
) ⎠<br />
L’énergie cinétique totale d’un solide est égale à la moitié du produit scalaire du torseur<br />
O1<br />
0<br />
cinématique par le torseur cinétique au point exprimé dans le repère R .<br />
E<br />
0<br />
C<br />
1<br />
=<br />
2<br />
[ V ]<br />
O<br />
• 1<br />
[ C] O 1<br />
303
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
5.4. Solide indéformable en mouvement de rotation pur<br />
Dans le cas où le solide est en mouvement de rotation pur autour d’un axe<br />
Δ<br />
passant par un<br />
→ →<br />
0<br />
point du solide et de vecteur unitaire u tel que : Δ ( , u ) avec Ω = Ω u .Le moment<br />
O S<br />
O S<br />
→<br />
S<br />
→<br />
d’inertie par rapport à cet axe est donné par :<br />
I<br />
→<br />
T<br />
Δ<br />
= u<br />
. I<br />
OS<br />
→<br />
. u<br />
(S)<br />
→<br />
z<br />
O S →<br />
→ M . y<br />
x<br />
→<br />
u<br />
(Δ)<br />
L’énergie cinétique de rotation pure est donnée par :<br />
E<br />
1 → →<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
0 0 T<br />
0 1 T 1 2 T 1<br />
C<br />
Ω<br />
S<br />
. I<br />
O<br />
. Ω = Ωu<br />
I Ω u = Ω u I u = Ω<br />
S S<br />
.<br />
O<br />
.<br />
.<br />
S<br />
O<br />
.<br />
2 .<br />
S<br />
= I<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
Δ<br />
5.5. Energie cinétique d’un ensemble de solides<br />
L’énergie cinétique d’un ensemble de solides (S) constitué des solides (S 1 , S 2 , S 3 , ……S n )<br />
dans un repère<br />
R 0<br />
est égale à la somme des énergies cinétiques de chaque solide exprimée<br />
dans le même repère.<br />
0<br />
0<br />
E<br />
C<br />
( S)<br />
= ∑ EC<br />
( Si<br />
)<br />
i<br />
304
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
EXERCICES ET SOLUTIONS<br />
Exercice 01:<br />
Une barre homogène de longueur OM = L , de centre G est en mouvement dans un repère<br />
→ → →<br />
R0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R1<br />
2<br />
orthonormé fixe O,<br />
x , y , z ) . On défini deux repères et R tel que :<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ →<br />
0<br />
≡ z 1<br />
→ → → →<br />
(<br />
0 1 0 1<br />
R O,<br />
x , y , z ) repère mobile tel que : z et θ = x , x ) = ( y , y ) ;<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
→ →<br />
1<br />
≡ y 2<br />
→ → → →<br />
(<br />
1 2 1 2<br />
R O,<br />
x , y , z ) lié à la barre tel que : y et α = x , x ) = ( z , z ) ;<br />
On prendra<br />
R 1<br />
comme repère de projection et comme repère relatif.<br />
Déterminer :<br />
0<br />
1. La vitesse de rotation instantanée du repère par rapport à R ;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Ω<br />
2<br />
R2<br />
0<br />
2. La vitesse V 0 ( M ) et l’accélération γ<br />
0 ( M ) par dérivation ;<br />
→<br />
→<br />
3. La vitesse V 0 ( G ) et l’accélération γ<br />
0 ( G ) par composition de mouvement ;<br />
→<br />
σ<br />
1<br />
4. Le moment cinétique 0 ( O ) au point O exprimé dans R ;<br />
→<br />
δ<br />
1<br />
5. Le moment dynamique 0 ( O ) au point O exprimé dans R ;<br />
6. L’énergie cinétique de la barre.<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
M<br />
→<br />
x 2<br />
G<br />
•<br />
→ →<br />
y 1 ≡ y 2<br />
→<br />
x<br />
0<br />
O<br />
θ<br />
α<br />
→<br />
x 1<br />
→<br />
y 0<br />
306
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
→<br />
Ω 0 2<br />
R2<br />
0<br />
1. Vitesse de rotation instantanée du repère par rapport à R ;<br />
→<br />
0<br />
Ω<br />
2<br />
→<br />
1<br />
2<br />
= Ω<br />
→<br />
0<br />
1<br />
+ Ω<br />
• →<br />
= −α<br />
y<br />
1<br />
⎧ 0<br />
• →<br />
•<br />
⎪<br />
1=<br />
⎨−α<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩ θ<br />
1<br />
+ θ z<br />
→ • →<br />
Ω1 y1<br />
0<br />
, = −α<br />
car :<br />
→ → →<br />
x1 ∧ z1<br />
= − y1<br />
→<br />
2. Vitesse V 0 ( M ) et l’accélération γ<br />
0 ( M ) par dérivation ;<br />
2.1. Vitesse<br />
→<br />
0<br />
V<br />
−→<br />
−→<br />
0<br />
1<br />
→<br />
d OM d OM<br />
−→<br />
0<br />
( M ) = = + Ω1<br />
∧ OM<br />
dt dt<br />
→<br />
Nous avons :<br />
⎧2L<br />
cosα<br />
−→<br />
⎪<br />
OM = ⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩2Lsinα<br />
1<br />
⇒<br />
•<br />
⎧<br />
−→<br />
⎪ − 2Lα<br />
sinα<br />
1<br />
d OM<br />
= ⎨ 0<br />
dt<br />
•<br />
⎪ 2Lα<br />
cosα<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( M ) =<br />
•<br />
⎧ ⎪ − 2Lα<br />
sinα<br />
⎨ 0 +<br />
•<br />
⎪ 2Lα<br />
cosα<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0<br />
∧<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩θ<br />
1<br />
⎧2L<br />
cosα<br />
⎪<br />
⎨ 0 =<br />
⎪<br />
R ⎩2Lsinα<br />
1<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ − 2Lα<br />
sinα<br />
•<br />
⎨ 2Lθ<br />
cosα<br />
•<br />
⎪ 2Lα<br />
cosα<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
2.2. Accélération<br />
→<br />
0<br />
γ ( M ) =<br />
d<br />
0<br />
→<br />
0<br />
V ( M )<br />
dt<br />
=<br />
d<br />
→<br />
1<br />
0<br />
→<br />
V ( M )<br />
+ Ω<br />
dt<br />
0<br />
1<br />
→<br />
0<br />
∧V<br />
( M )<br />
→<br />
0<br />
γ ( M ) =<br />
⎧<br />
••<br />
•<br />
2<br />
⎪−<br />
2L(<br />
α sinα<br />
+ α cosα)<br />
••<br />
• •<br />
⎪<br />
⎨ 2L(<br />
θ cosα<br />
−θ α sinα)<br />
•<br />
⎪ ••<br />
2<br />
⎪ 2L(<br />
α cosα<br />
−α<br />
sinα)<br />
R ⎩<br />
1<br />
+<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0<br />
∧<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩θ<br />
1<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ − 2Lα<br />
sinα<br />
•<br />
⎨ 2Lθ<br />
cosα<br />
•<br />
⎪ 2Lα<br />
cosα<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
→<br />
0<br />
γ ( M ) =<br />
⎧ ⎛<br />
••<br />
• •<br />
2 2 ⎞<br />
⎪−<br />
2L⎜α<br />
sinα<br />
+ ( α + θ )cosα<br />
⎟<br />
⎪ ⎝<br />
⎠<br />
••<br />
• •<br />
⎪<br />
⎨ 2L(<br />
θ cosα<br />
− 2θ α sinα)<br />
•<br />
⎪ ••<br />
2<br />
⎪ 2L(<br />
α cosα<br />
−α<br />
sinα<br />
)<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
1<br />
307
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
308<br />
A.KADI<br />
3. Vitesse et accélération par composition de mouvement ;<br />
)<br />
(<br />
V 0 G<br />
→<br />
)<br />
(<br />
0 G<br />
→<br />
γ<br />
3.1. Vitesse<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
0<br />
1<br />
1<br />
0<br />
G<br />
V<br />
G<br />
V<br />
G<br />
V<br />
→<br />
→<br />
→<br />
+<br />
= , avec : ⇒<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
=<br />
−→<br />
α<br />
α<br />
sin<br />
0<br />
cos<br />
1<br />
L<br />
L<br />
R<br />
OG<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧ −<br />
=<br />
=<br />
•<br />
•<br />
−→<br />
→<br />
α<br />
α<br />
α<br />
α<br />
cos<br />
0<br />
sin<br />
)<br />
(<br />
1<br />
1<br />
1<br />
L<br />
L<br />
R<br />
dt<br />
OG<br />
d<br />
G<br />
V<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
=<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
=<br />
∧<br />
+ Ω<br />
=<br />
•<br />
•<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0<br />
cos<br />
0<br />
sin<br />
0<br />
cos<br />
0<br />
0<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
1<br />
1<br />
1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0<br />
1 α<br />
θ<br />
α<br />
α<br />
θ<br />
L<br />
R<br />
L<br />
L<br />
R<br />
R<br />
OG<br />
O<br />
V<br />
G<br />
V<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧ −<br />
=<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
+<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧ −<br />
=<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
→<br />
α<br />
α<br />
α<br />
θ<br />
α<br />
α<br />
α<br />
θ<br />
α<br />
α<br />
α<br />
α<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
0<br />
cos<br />
0<br />
cos<br />
0<br />
sin<br />
)<br />
(<br />
1<br />
1<br />
1<br />
0<br />
L<br />
L<br />
L<br />
R<br />
L<br />
R<br />
L<br />
L<br />
R<br />
G<br />
V<br />
3.2. Accélération<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
0<br />
1<br />
1<br />
0<br />
G<br />
G<br />
G<br />
G<br />
c<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
+<br />
+<br />
= γ<br />
γ<br />
γ<br />
γ<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
+<br />
−<br />
=<br />
=<br />
•<br />
••<br />
•<br />
••<br />
→<br />
→<br />
)<br />
sin<br />
cos<br />
(<br />
0<br />
)<br />
cos<br />
sin<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
1<br />
1<br />
1<br />
1<br />
α<br />
α<br />
α<br />
α<br />
α<br />
α<br />
α<br />
α<br />
γ<br />
L<br />
L<br />
R<br />
dt<br />
G<br />
V<br />
d<br />
G<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∧<br />
Ω<br />
∧<br />
+ Ω<br />
∧<br />
Ω<br />
+<br />
=<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
OG<br />
OG<br />
dt<br />
d<br />
O<br />
G<br />
0<br />
1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
0<br />
0<br />
1 )<br />
(<br />
)<br />
( γ<br />
γ avec : et<br />
→<br />
→<br />
= 0<br />
)<br />
(<br />
0 O<br />
γ<br />
dt<br />
d<br />
dt<br />
d<br />
→<br />
→<br />
Ω<br />
=<br />
Ω<br />
0<br />
1<br />
1<br />
0<br />
1<br />
0<br />
L<br />
L<br />
R<br />
L<br />
L<br />
R<br />
R<br />
R<br />
L<br />
L<br />
R<br />
R<br />
G<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧ −<br />
=<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
+<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
=<br />
••<br />
•<br />
•<br />
•<br />
••<br />
→<br />
0<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
0<br />
cos<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
sin<br />
0<br />
cos<br />
0<br />
0<br />
)<br />
(<br />
2<br />
1<br />
1<br />
1<br />
1<br />
1<br />
1<br />
0<br />
1 α<br />
θ<br />
α<br />
θ<br />
α<br />
α<br />
θ<br />
θ<br />
α<br />
α<br />
θ<br />
γ<br />
L<br />
R<br />
L<br />
L<br />
R<br />
R<br />
G<br />
V<br />
G<br />
c<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
=<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧ −<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
=<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
∧<br />
Ω<br />
=<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0<br />
sin<br />
2<br />
0<br />
cos<br />
0<br />
sin<br />
0<br />
0<br />
2<br />
)<br />
(<br />
2<br />
)<br />
(<br />
1<br />
1<br />
1<br />
1<br />
0<br />
1 α<br />
αθ<br />
α<br />
α<br />
α<br />
α<br />
θ<br />
γ
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
La somme de tous les termes donne :<br />
⎧ ••<br />
•<br />
•<br />
2 ⎧<br />
⎪<br />
⎪ −<br />
2<br />
− L(<br />
α sinα<br />
+ α cosα)<br />
Lθ<br />
cosα<br />
⎧ 0<br />
→<br />
⎪<br />
••<br />
• •<br />
0<br />
⎪<br />
γ ( G)<br />
= ⎨ 0<br />
+ ⎨ Lθ<br />
cosα<br />
+ ⎨−<br />
2Lαθ<br />
sinα<br />
••<br />
•<br />
⎪<br />
2 ⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
L(<br />
α cosα<br />
−α<br />
sinα)<br />
0<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
⎩<br />
R ⎩<br />
R<br />
1<br />
1<br />
→<br />
0<br />
γ ( M ) =<br />
⎧ ⎛<br />
••<br />
• •<br />
2 2 ⎞<br />
⎪−<br />
L⎜α<br />
sinα<br />
+ ( α + θ )cosα<br />
⎟<br />
⎪ ⎝<br />
⎠<br />
••<br />
• •<br />
⎪<br />
⎨ L(<br />
θ cosα<br />
− 2θ α sinα)<br />
•<br />
⎪ ••<br />
2<br />
⎪ L(<br />
α cosα<br />
−α<br />
sinα<br />
)<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
1<br />
→<br />
σ<br />
1<br />
4. Moment cinétique 0 ( O ) au point O exprimé dans R ;<br />
Le moment cinétique au point O dans le repère R 0<br />
est donné par :<br />
→<br />
→<br />
-→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
σ ( O)<br />
= I<br />
G<br />
Ω + OG∧<br />
mV ( G)<br />
2<br />
→<br />
avec :<br />
⎡<br />
⎤<br />
⎢0<br />
0 0 ⎥<br />
⎢ 2<br />
mL ⎥<br />
I G<br />
= ⎢0<br />
0 ⎥ et<br />
⎢ 3 ⎥<br />
2<br />
⎢ mL ⎥<br />
⎢0<br />
0<br />
⎣ 3<br />
⎥<br />
⎦<br />
→<br />
0<br />
Ω2<br />
=<br />
R<br />
1<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨−<br />
⎪<br />
⎩<br />
0<br />
•<br />
α<br />
•<br />
θ<br />
⎡<br />
⎢0<br />
→ ⎢<br />
0<br />
σ ( O ) = ⎢0<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢0<br />
R ⎣<br />
1<br />
0<br />
mL<br />
3<br />
0<br />
2<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
⎧ 0<br />
⎥ •<br />
⎪<br />
0 ⎥ ⎨−α<br />
⎥<br />
•<br />
2<br />
⎪<br />
mL ⎥ R ⎩ θ<br />
1<br />
3<br />
⎥<br />
⎦<br />
+<br />
⎧L<br />
cosα<br />
⎪<br />
⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩Lsinα<br />
1<br />
∧<br />
m<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ − Lα<br />
sinα<br />
•<br />
⎨ Lθ<br />
cosα<br />
•<br />
⎪ Lα<br />
cosα<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
⎧<br />
⎪ 0<br />
→<br />
⎪ 2 •<br />
0 mL<br />
σ ( O)<br />
= ⎨−<br />
α<br />
⎪ 3<br />
2 •<br />
⎪ mL<br />
θ<br />
R<br />
⎪⎩<br />
3<br />
1<br />
+<br />
•<br />
⎧ 2<br />
⎪<br />
− mL θ cosα<br />
sinα<br />
•<br />
2<br />
⎨ − mL α<br />
•<br />
⎪ 2 2<br />
mL θ cos α<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
⎧ •<br />
2<br />
⎪ − mL θ cosα<br />
sinα<br />
⎪ 2<br />
4mL<br />
•<br />
= ⎨−<br />
α<br />
⎪ 3<br />
•<br />
⎪ 2 1 2<br />
mL θ ( + cos α )<br />
R<br />
⎩ 3<br />
1<br />
309
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
δ<br />
1<br />
5. Moment dynamique 0 ( O ) au point O exprimé dans R ;<br />
d<br />
Ω<br />
Il est déterminé à partir du moment cinétique par la relation :<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
1 0<br />
→ →<br />
0 d σ ( O)<br />
d σ ( O)<br />
0 0<br />
δ ( O)<br />
= = ∧ Ω1<br />
∧ σ ( O)<br />
dt dt<br />
1<br />
→<br />
0<br />
σ ( O)<br />
=<br />
dt<br />
R<br />
⎧<br />
⎪−<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
1<br />
→<br />
••<br />
• •<br />
• •<br />
2⎛<br />
2<br />
2 ⎞<br />
mL ⎜θ<br />
cosα<br />
sinα<br />
−θ α sin α + θ α cos α ⎟<br />
⎝<br />
⎠<br />
2<br />
4mL<br />
••<br />
− α<br />
3<br />
••<br />
• •<br />
2 ⎛ 1 2<br />
⎞<br />
mL ⎜θ ( + cos α) − 2θα<br />
sin α cosα<br />
) ⎟<br />
⎝ 3<br />
⎠<br />
2<br />
⎧<br />
⎧ 4mL<br />
• •<br />
•<br />
2<br />
⎪−<br />
α θ<br />
⎧0<br />
⎪−<br />
mL θ cosα<br />
sinα<br />
⎪<br />
⎪<br />
3<br />
→<br />
2 •<br />
•<br />
0 ⎪ 4mL<br />
2 2<br />
∧ σ ( O)<br />
= ⎨0∧<br />
⎨−<br />
α = ⎨−<br />
mL θ cosα<br />
sin<br />
•<br />
⎪ ⎪ 3<br />
⎪<br />
•<br />
⎩θ<br />
0<br />
⎪ 2 1 2<br />
mL θ ( + cos α ) ⎪<br />
R<br />
⎩ 3<br />
⎪<br />
1<br />
R ⎩<br />
→<br />
0<br />
1<br />
α<br />
on déduit :<br />
→<br />
0<br />
δ ( O)<br />
=<br />
R<br />
⎧ 2 ⎛<br />
⎪ − mL ⎜<br />
⎪ ⎝<br />
⎪ 2 ⎛<br />
⎨−<br />
mL ⎜<br />
⎪ ⎝<br />
⎪ 2 ⎛<br />
⎪ mL ⎜<br />
⎩ ⎝<br />
1<br />
••<br />
• •<br />
• •<br />
• •<br />
2<br />
2 4 ⎞<br />
θ cosα<br />
sinα<br />
−θ α sin α + θ α cos α − α θ ⎟<br />
3 ⎠<br />
•<br />
4<br />
••<br />
2 ⎞<br />
α+<br />
θ cosα<br />
sinα<br />
⎟<br />
3<br />
⎠<br />
••<br />
1<br />
θ ( + cos<br />
3<br />
• •<br />
2<br />
α) − 2θα<br />
sin α<br />
1<br />
⎞<br />
cosα<br />
) ⎟<br />
⎠<br />
6. Energie cinétique de la barre.<br />
L’énergie cinétique totale a pour expression :<br />
E<br />
→<br />
2<br />
→<br />
⎛ 0 ⎞ 0<br />
C<br />
= m⎜V<br />
( G)<br />
⎟ + Ω<br />
2<br />
.I G<br />
E C<br />
=<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
⎝<br />
⎠<br />
•<br />
2 ⎛ 2<br />
mL ⎜α<br />
sin<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
2<br />
. Ω<br />
•<br />
•<br />
2 2 2 2 2<br />
α + θ cos α + α cos<br />
⎡0<br />
⎞ 1<br />
• •<br />
⎛ ⎞<br />
α ⎟ +<br />
⎢<br />
⎜0,<br />
−α,<br />
θ ⎟<br />
⎠ ⎝ ⎠⎢<br />
0<br />
2<br />
⎢⎣<br />
0<br />
mL<br />
0<br />
2<br />
0<br />
/ 3<br />
0 ⎤⎛<br />
0 ⎞<br />
⎜ • ⎟<br />
0<br />
⎥<br />
⎥⎜−α<br />
⎟<br />
•<br />
2<br />
mL / 3⎥⎜<br />
⎟<br />
⎦⎝<br />
θ ⎠<br />
310
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
E C<br />
=<br />
1<br />
2<br />
2 ⎛<br />
mL ⎜α<br />
⎝<br />
•<br />
2<br />
+<br />
•<br />
2<br />
2 2 ⎞ mL<br />
θ cos α ⎟ + α<br />
⎠ 6<br />
•<br />
2<br />
+<br />
2<br />
mL<br />
θ<br />
6<br />
•<br />
2<br />
E C<br />
=<br />
•<br />
2 2 2 mL<br />
mL α +<br />
3 2<br />
2<br />
•<br />
2 ⎛ 1<br />
θ ⎜ + cos<br />
⎝ 3<br />
2<br />
⎞<br />
α ⎟<br />
⎠<br />
Exercice 02:<br />
On considère le système matériel suivant (Σ)<br />
compsé des solides suivants:<br />
(S 1 ) : est un coulisseau de masse m 1 , de centre de masse G 1 lié au repère R 1 en mouvement<br />
→ → →<br />
0( 0 0 0<br />
de translation rectiligne par rappport à un repère fixe R x , y , z ) suivant l’axe .<br />
(S2) : est une barre uniforme de longueur 2b , de masse m 2 , de centre de masse G 2 lié à R 2<br />
(S 3 ) : est un disque homogène de rayon R , de masse m 3 ,de centre de masse G 3 lié à R 3<br />
→<br />
z 0<br />
⎡A2<br />
0 0 ⎤<br />
On donne les tenseurs d’inertie : I G 2(S2<br />
) = ⎢ 0 B2<br />
0 ;<br />
⎢<br />
⎢ 0 0 C2<br />
⎥ ⎥⎥ ⎣<br />
⎦ R<br />
2<br />
I G 3<br />
(S<br />
3<br />
⎡A3<br />
) = ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
C<br />
0<br />
3<br />
0 ⎤<br />
0<br />
C3<br />
⎥ ⎥⎥ ⎦ R<br />
3<br />
1. Déterminer les vitesses et les accélérations des points G avec i = 1,2,3<br />
i<br />
→<br />
Gi<br />
( S i 0<br />
2. Calculer les moments cinétiques σ / R ) des S ) en G<br />
i<br />
avec i = 1,2, 3 ;<br />
→<br />
Gi<br />
( S i 0<br />
3. Calculer les moments dynamiques δ / R ) des ( S ) en G avec i = 1,2, 3 ;<br />
4. En déduire le moment dynamique du système au point G : Σ / exprimé dans R ;<br />
5. Calculer l’énergie cinétique du système E c<br />
Σ / R ) par rapport à .<br />
(<br />
0<br />
( i<br />
i<br />
i<br />
→<br />
1<br />
δ<br />
G1( R0<br />
)<br />
0<br />
R 0<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
→<br />
z 0<br />
→<br />
z<br />
2<br />
(S 1 )<br />
G 1<br />
O<br />
•<br />
G 2<br />
→<br />
y 1<br />
•<br />
α (S 2 )<br />
α<br />
G 3<br />
β<br />
(S 3 )<br />
→<br />
z<br />
3<br />
→<br />
y<br />
→<br />
y<br />
0<br />
0<br />
311
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R x , y , z ) repère fixe ; et aussi repère de projection<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ →<br />
≡<br />
0<br />
R x , y , z ) : z 1<br />
z et<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
→ →<br />
≡<br />
0<br />
R x , y , z ) : x 2<br />
x et<br />
→<br />
0<br />
1<br />
→<br />
Ω ≡ 0<br />
→ • →<br />
0<br />
Ω2 ≡ α x0<br />
→ → →<br />
3<br />
(<br />
3 3 3<br />
R x , y , z ) : x 3<br />
− x et<br />
→<br />
→<br />
≡<br />
0<br />
→ • →<br />
0<br />
Ω3 ≡ − β x0<br />
−−→<br />
=<br />
OI<br />
⎧ 0<br />
⎧ 0<br />
⎧0<br />
−−→<br />
−−→<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨b<br />
cosα ; OG1<br />
= ⎨ 0 ; OG2<br />
= ⎨bsinα<br />
;<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
⎪<br />
R ⎩R<br />
+ 2b<br />
cosα<br />
⎪<br />
R ⎩R<br />
+ bcosα<br />
0<br />
0<br />
0<br />
⎧0<br />
−−→<br />
⎪<br />
OG3<br />
= ⎨2b<br />
sinα<br />
⎪<br />
R ⎩R<br />
0<br />
1. Vitesses et accélérations absolues des points G i<br />
avec i = 1,2,3<br />
1.1. Vitesses par dérivation:<br />
−−→ ⎧0<br />
→<br />
0<br />
0 d OG1<br />
⎪<br />
V ( G1<br />
) = = ⎨0<br />
;<br />
dt<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩−<br />
2bα sinα<br />
→<br />
0<br />
V<br />
d<br />
( G ) =<br />
3<br />
0<br />
dt<br />
−−→<br />
OG<br />
3<br />
=<br />
0<br />
R<br />
0<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨2b<br />
⎪<br />
⎩ 0<br />
•<br />
cos<br />
α<br />
α<br />
1.1. Accélération par dérivation:<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( G<br />
2<br />
) =<br />
d<br />
0<br />
−−→<br />
OG<br />
dt<br />
2<br />
⎧ 0<br />
•<br />
⎪<br />
= ⎨bα<br />
cosα<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩−<br />
bα<br />
sinα<br />
0<br />
→<br />
0<br />
γ ( G ) =<br />
→<br />
0<br />
1<br />
γ ( G ) =<br />
→<br />
2<br />
0<br />
γ ( G ) =<br />
3<br />
d<br />
d<br />
d<br />
0<br />
0<br />
0<br />
→<br />
0<br />
V ( G1<br />
)<br />
=<br />
dt<br />
R<br />
0<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨ 0<br />
••<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
⎩−<br />
2bα<br />
sinα<br />
− 2bα<br />
cosα<br />
→ ⎧ 0<br />
0<br />
•<br />
V ( G ⎪<br />
••<br />
2<br />
)<br />
2<br />
= ⎨ bα<br />
cosα<br />
− bα<br />
sinα<br />
dt<br />
••<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
R ⎩−<br />
bα<br />
sinα<br />
− bα<br />
cosα<br />
→<br />
0<br />
V ( G<br />
dt<br />
3<br />
0<br />
⎧ 0<br />
•<br />
) ⎪<br />
••<br />
2<br />
= ⎨2bα<br />
cosα<br />
− 2bα<br />
sinα<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
312
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
Gi<br />
( S i 0<br />
2. Moments cinétiques σ / R ) des S ) en G avec i = 1,2, 3 ;<br />
Les moments cinétiques des trois solides en leurs centres d’inertie sont donnés par :<br />
→<br />
G1<br />
1<br />
0<br />
−−−→<br />
0<br />
0<br />
σ ( S / R ) = G G ∧ m V ( G ) + I Ω = 0<br />
→<br />
σ<br />
G2<br />
→<br />
σ<br />
G3<br />
1<br />
1<br />
1<br />
→<br />
1<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
( i<br />
•<br />
•<br />
⎡A<br />
−−−→ →<br />
→ 2<br />
0 0 ⎤ ⎜α<br />
⎟ ⎜ A2<br />
α ⎟<br />
• →<br />
0<br />
0<br />
= G ∧ + Ω =<br />
⎢<br />
⎥ ⎜ ⎟<br />
=<br />
⎜ ⎟<br />
2G2<br />
m2<br />
V ( G2<br />
) I<br />
2 2<br />
0 B2<br />
0 0 0 = A2<br />
α<br />
0<br />
( S<br />
2<br />
/ R0<br />
)<br />
⎢<br />
⎥<br />
x<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎢⎣<br />
0 0 C ⎥<br />
2 ⎦ ⎜ 0 ⎟ ⎜ 0 ⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
•<br />
•<br />
⎡A<br />
−−−→ →<br />
→ 3<br />
0 0 ⎤ ⎜ β ⎟ ⎜ A3<br />
β ⎟<br />
• →<br />
0<br />
0<br />
= G ∧ + Ω =<br />
⎢<br />
⎥ ⎜ ⎟<br />
=<br />
⎜ ⎟<br />
3G3<br />
m3<br />
V ( G3<br />
) I<br />
3 3<br />
0 B3<br />
0 0 0 = −A3<br />
β<br />
0<br />
( S3<br />
/ R0<br />
)<br />
⎢<br />
⎥<br />
x<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎢⎣<br />
0 0 C ⎥<br />
3 ⎦ ⎜ 0 ⎟ ⎜ 0 ⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
i<br />
⎛<br />
⎛ −<br />
⎞<br />
⎞<br />
⎛<br />
⎛ −<br />
⎞<br />
⎞<br />
→<br />
Gi<br />
( S i 0<br />
3. Moments dynamiques δ / R ) des S ) en G avec i = 1,2, 3 ;<br />
Les moments dynamiques se déduisent par la dérivée des moments cinétiques :<br />
→<br />
δ ( S<br />
δ<br />
G1<br />
→<br />
G2<br />
→<br />
δ<br />
G3<br />
1<br />
/ R<br />
0<br />
→<br />
1<br />
d σ ( / )<br />
→<br />
G1<br />
S1<br />
R0<br />
) = = 0<br />
dt<br />
→<br />
2<br />
d σ<br />
•• →<br />
G2<br />
( S<br />
2<br />
/ R0<br />
)<br />
( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) = = A2<br />
α x0<br />
dt<br />
→<br />
3<br />
d σ<br />
•• →<br />
G3<br />
( S3<br />
/ R0<br />
)<br />
( S3<br />
/ R0<br />
) = = −A3<br />
β x0<br />
dt<br />
4. Moment dynamique du système au point G : / R ) exprimé dans R ;<br />
( i<br />
1<br />
i<br />
→<br />
δ<br />
G1( ∑ 0<br />
0<br />
Le moment dynamique du système au point<br />
des trois solides au même point.<br />
G 1<br />
est égal à la somme des moments dynamiques<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
G1 G<br />
G<br />
G<br />
R<br />
∑<br />
δ ( / R0<br />
) = δ<br />
1(<br />
S1<br />
/ R0<br />
) + δ<br />
1(<br />
S2<br />
/ R0<br />
) + δ<br />
1(<br />
S3<br />
/<br />
0<br />
)<br />
→<br />
δ<br />
G1<br />
(<br />
∑<br />
/ R ) =<br />
0<br />
d<br />
0<br />
→<br />
σ<br />
G1(<br />
S1<br />
dt<br />
/ R0<br />
) d<br />
+<br />
0<br />
→<br />
σ<br />
G1(<br />
S<br />
dt<br />
2<br />
/ R0<br />
) d<br />
+<br />
0<br />
→<br />
σ<br />
G1(<br />
S<br />
dt<br />
3<br />
/ R )<br />
0<br />
d<br />
→<br />
σ<br />
G1( S1<br />
/ R0<br />
)<br />
dt<br />
0<br />
→<br />
= 0<br />
313
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Calculons d’abord les moments cinétiques des solides ( S 2<br />
) et ) en G en utilisant la<br />
formule de transport :<br />
→<br />
→<br />
−−−→ →<br />
G1 G<br />
G<br />
0<br />
σ ( S2<br />
/ R0<br />
) = σ<br />
2<br />
( S2<br />
/ R0<br />
) + G1G2<br />
∧ m2<br />
V (<br />
2<br />
)<br />
⎛<br />
⎜<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎛<br />
⎜<br />
( S 3 1<br />
→<br />
• →<br />
•<br />
•<br />
•<br />
→<br />
2 2<br />
2<br />
G1 ( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) = A2<br />
α x0<br />
+ ⎜ bsinα<br />
⎟ ∧ m2<br />
⎜ bα<br />
cosα<br />
⎟ = ⎜ A2<br />
α+<br />
m2b<br />
α(cos<br />
α − sin α)<br />
⎟ x0<br />
•<br />
σ<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎜ ⎟<br />
⎝−<br />
bcosα<br />
⎠<br />
→<br />
•<br />
•<br />
→<br />
2<br />
G1( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) = ⎜ A2<br />
α + m2b<br />
α cos 2α<br />
⎟ x0<br />
σ<br />
→<br />
→<br />
−−−→ →<br />
G1 G<br />
G<br />
⎞<br />
⎠<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝−<br />
bα<br />
sinα<br />
⎠<br />
0<br />
σ ( S3<br />
/ R0<br />
) = σ<br />
3<br />
( S3<br />
/ R0<br />
) + G1G3<br />
∧ m3<br />
V (<br />
3)<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝−<br />
2b<br />
cosα<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎜<br />
→<br />
• →<br />
•<br />
•<br />
•<br />
→<br />
2 2<br />
G1( S3<br />
/ R0<br />
) = −A3<br />
β x0<br />
+ ⎜ 2b<br />
sinα<br />
∧ m3⎜2bα<br />
cosα<br />
⎟ = ⎜−<br />
A3<br />
β + 4m3b<br />
α cos α ⎟ x0<br />
σ<br />
⎛<br />
⎝<br />
→<br />
•<br />
•<br />
→<br />
2 2<br />
G1( S3<br />
/ R0<br />
) = ⎜−<br />
A3<br />
β + 4m3b<br />
α cos α ⎟ x0<br />
σ<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎜<br />
⎝<br />
Les moments dynamiques se déduisent facilement par dérivation des deux expressions:<br />
→<br />
d 0<br />
σ<br />
1(<br />
S<br />
2<br />
/ R0<br />
) ⎛<br />
⎞<br />
G<br />
dt ⎝<br />
α<br />
⎠<br />
→<br />
••<br />
••<br />
•<br />
→<br />
2<br />
2<br />
= ⎜ A2<br />
α+<br />
m2b<br />
( α cos 2α<br />
− 2α<br />
sin 2 ) ⎟ x0<br />
d 0<br />
σ<br />
1(<br />
S3<br />
/ R0<br />
) ⎛<br />
⎞<br />
G<br />
dt ⎝<br />
α<br />
⎠<br />
••<br />
••<br />
•<br />
→<br />
2 2<br />
2 2<br />
= ⎜−<br />
A3<br />
β + 4m3b<br />
α cos α − 8m3b<br />
α sinα<br />
cos ⎟ x0<br />
⎛<br />
••<br />
••<br />
•<br />
→<br />
2 2<br />
2 2<br />
= ⎜−<br />
A3 β + 4m3b<br />
α cos α − 4m3b<br />
α sin 2α<br />
⎟ x0<br />
⎝<br />
Le moment dynamique du système est la somme des deux expressions :<br />
→<br />
δ<br />
G1<br />
(<br />
∑<br />
/ R<br />
0<br />
⎛<br />
••<br />
) = ⎜ A2<br />
α+<br />
m2b<br />
⎝<br />
⎛<br />
••<br />
+ ⎜−<br />
A3<br />
β + 4m3b<br />
⎝<br />
⎛<br />
2<br />
••<br />
•<br />
2 ⎞<br />
( α cos 2α<br />
− 2α<br />
sin 2α<br />
) ⎟ x<br />
⎠<br />
••<br />
2<br />
2<br />
α cos α − 4m b<br />
3<br />
2<br />
0<br />
0<br />
→<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
0<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎝<br />
•<br />
2 ⎞<br />
α sin 2α<br />
⎟ x<br />
⎠<br />
→<br />
•• ••<br />
••<br />
•<br />
••<br />
•<br />
→<br />
2<br />
2<br />
2 2 2<br />
G1 ( ∑ / R0<br />
) = ⎜ A2<br />
α−<br />
A3<br />
β + m2b<br />
( α cos 2α<br />
− 2α<br />
sin 2α<br />
) + 4m3b<br />
( α cos α −α<br />
sin 2α<br />
) ⎟ x0<br />
δ<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎠<br />
314
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
5. Energie cinétique du système E c<br />
Σ / R ) par rapport à .<br />
(<br />
0<br />
R 0<br />
E<br />
∑<br />
( / R0 ) = EC<br />
( S1<br />
/ R0<br />
) + EC<br />
( S2<br />
/ R0<br />
) EC<br />
( S3<br />
/ R0<br />
)<br />
C<br />
+<br />
E<br />
C<br />
2<br />
→<br />
→<br />
•<br />
1 ⎛ 0 ⎞ 1 0T<br />
0 1 2 2<br />
( S1 / R0<br />
) = m1<br />
⎜V<br />
( G1<br />
) ⎟ + Ω1<br />
. I<br />
G1.<br />
Ω1<br />
= m1<br />
4b<br />
α sin<br />
2 ⎝ ⎠ 2<br />
2<br />
→<br />
2<br />
α<br />
E<br />
C<br />
2<br />
→<br />
0T<br />
Ω<br />
2<br />
→<br />
→<br />
•<br />
1 ⎛ 0 ⎞ 1<br />
0 1 2 2 1<br />
( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) = m2<br />
⎜V<br />
( G2<br />
) ⎟ + . I<br />
G2.<br />
Ω<br />
2<br />
= m2b<br />
α + A2<br />
α<br />
2 ⎝ ⎠ 2<br />
2 2<br />
•<br />
2<br />
E<br />
C<br />
2<br />
→<br />
0T<br />
Ω3<br />
→<br />
→<br />
•<br />
1 ⎛ 0 ⎞ 1<br />
0 1 2 2 2 1<br />
( S3<br />
/ R0<br />
) = m3⎜V<br />
( G3)<br />
⎟ + . I<br />
G3.<br />
Ω3<br />
= m3<br />
4b<br />
α cos α + A3<br />
β<br />
2 ⎝ ⎠ 2<br />
2<br />
2<br />
•<br />
2<br />
•<br />
•<br />
•<br />
• •<br />
1 ⎛ 2<br />
2 2<br />
2<br />
2 2<br />
2 2<br />
E C<br />
( ∑ / R0 ) = ⎜b<br />
(4m1<br />
α sin α + m2<br />
α + 4m3<br />
α cos α)<br />
+ A2<br />
α + A3<br />
β<br />
2 ⎝<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
315
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice : 03<br />
Le système mécanique représenté ci-dessous est composé de deux solides.<br />
(S 1 ) : une barre de longueur OO 1 = L , de masse négligeable, maintenue à ses deux extrémités<br />
par des liaisons : sphériques O et cylindrique en O 1 (d’axe x ). Le disque (S2) a un rayon R et<br />
→<br />
1<br />
une masse m. La barre, lié au repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R1<br />
( x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
, est en rotation dans le plan vertical à une<br />
•<br />
→ → →<br />
→ →<br />
vitesse angulaire θ par rapport au repère fixe R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
) autour de l’axe z 0 ≡ z 1<br />
. Le<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
→ →<br />
≡<br />
2<br />
disque lié au repère R x , y , z ) , tourne autour de l’axe x 1<br />
x à une vitesse de rotation<br />
•<br />
ϕ . Le tenseur d’inertie du disque (S2) au point O 1 dans R 1<br />
est donné par :<br />
⎡A<br />
0<br />
I =<br />
⎢<br />
O<br />
( S<br />
2<br />
)<br />
⎢<br />
0 C<br />
R<br />
⎢⎣<br />
0 0<br />
1<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
C⎥⎦<br />
On prendra<br />
1 1<br />
R<br />
comme repère de projection.<br />
Déterminer :<br />
0<br />
1. La vitesse de rotation instantanée Ω du disque par rapport au repère fixe ;<br />
2. La vitesse et l’accélération du point O 1 par la cinématique du solide ;<br />
→<br />
2<br />
3. Le moment cinétique et le moment dynamique aux points O 1 et O par rapport à R 0<br />
;<br />
4. L’énergie cinétique du système<br />
5. Appliquer le théorème de la résultante dynamique au système<br />
6. Appliquer le théorème du moment dynamique au système au point O.<br />
O<br />
θ<br />
→<br />
y 1<br />
→<br />
y 0<br />
→<br />
y 2<br />
ϕ<br />
→<br />
y<br />
1<br />
R<br />
θ<br />
→<br />
z 1<br />
ϕ<br />
O 1<br />
O 1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z 2<br />
→<br />
x<br />
0<br />
x 1 , x 2<br />
316
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
1. Vecteur rotation instantanée du disque par rapport à R0<br />
et exprimé dans R1<br />
→<br />
0<br />
2<br />
Ω<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
ϕ<br />
→ →<br />
1 0<br />
= Ω<br />
2<br />
+ Ω1<br />
= ⎨0<br />
•<br />
⎪θ<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
2. Vitesse et accélération absolues du point O 1 dans R 1 par la cinématique du solide<br />
⎧L<br />
→<br />
→<br />
→ −→<br />
−→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
⎪<br />
V ( O1<br />
) = V ( O)<br />
+ Ω1<br />
∧ OO1<br />
; comme OO1<br />
= ⎨0<br />
et<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
1<br />
⎧0<br />
→<br />
0 ⎪<br />
Ω1<br />
= ⎨0<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩θ<br />
1<br />
alors :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
1<br />
( O ) = Ω<br />
1<br />
⎧0<br />
−→<br />
⎪<br />
∧ OO1<br />
= ⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩θ<br />
1<br />
∧<br />
•<br />
⎧L<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
1<br />
=<br />
⎧ 0<br />
•<br />
⎪<br />
⎨Lθ<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
→<br />
0<br />
→<br />
→<br />
0 0 → → →<br />
Ω<br />
--<br />
--→<br />
0 d<br />
1<br />
0 0<br />
O1<br />
) = ( O)<br />
+ ∧ OO1<br />
+ Ω1<br />
∧ Ω1<br />
∧ OO1<br />
γ ( γ<br />
on a :<br />
dt<br />
→<br />
0<br />
1<br />
0<br />
d Ω<br />
dt<br />
=<br />
→<br />
0<br />
1<br />
1<br />
d Ω<br />
dt<br />
⎧0<br />
⎧L<br />
⎪ ⎪<br />
γ ( O<br />
1)<br />
= ⎨0<br />
∧ ⎨0<br />
••<br />
⎪ ⎪<br />
R ⎩θ<br />
R ⎩0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
1<br />
+<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩θ<br />
1<br />
∧<br />
•<br />
⎧ 0<br />
•<br />
⎪<br />
⎨Lθ<br />
=<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ −<br />
2<br />
Lθ<br />
••<br />
⎨ Lθ<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
1<br />
3. Moment cinétique et moment dynamique aux points O 1 et O par rapport à R 0<br />
3.1. Moment cinétique et moment dynamique en O1<br />
•<br />
•<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
⎡A<br />
0 0⎤<br />
⎜ϕ<br />
⎟ ⎜ Aϕ<br />
⎟<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
σ ( O<br />
⎢ ⎥ ⎜ ⎟<br />
=<br />
⎜ ⎟<br />
1)<br />
= I<br />
O1.<br />
Ω<br />
2<br />
=<br />
⎢<br />
0 C 0<br />
⎥<br />
0 0<br />
⎜ • ⎟ ⎜ • ⎟<br />
R<br />
⎢⎣<br />
0 0 C⎥⎦<br />
⎜θ<br />
⎟ ⎜Cθ<br />
⎟<br />
1<br />
R ⎝ ⎠ R ⎝ ⎠<br />
1<br />
1<br />
→<br />
0<br />
δ ( O ) =<br />
1<br />
d<br />
0<br />
→<br />
0<br />
σ ( O1<br />
)<br />
dt<br />
=<br />
d<br />
1<br />
••<br />
••<br />
•<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
→<br />
⎜ Aϕ<br />
⎟ ⎛ 0⎞<br />
⎜ Aϕ<br />
⎟ ⎜ Aϕ<br />
⎟<br />
0<br />
→ →<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
•<br />
σ ( O<br />
⎟<br />
1)<br />
0 0 ⎜ ⎟<br />
2<br />
+ Ω1<br />
∧ σ ( O1<br />
) = 0 + ⎜ 0⎟∧<br />
0 =<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ Aϕ<br />
⎟<br />
dt<br />
•• •<br />
•<br />
••<br />
⎜Cθ<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝θ<br />
⎠ Cθ<br />
⎝ ⎠<br />
R<br />
⎝ ⎠ ⎜ Cθ<br />
1<br />
R<br />
R<br />
⎟<br />
1<br />
1 R ⎝ ⎠<br />
1<br />
317
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3.2. Moment cinétique et moment dynamique en O<br />
→<br />
→ −−→ →<br />
(<br />
O1<br />
2 1<br />
1<br />
0<br />
0<br />
0<br />
σ O)<br />
= I . Ω + OO ∧ mV ( O ) or V<br />
→<br />
0<br />
( O ) =<br />
1<br />
⎧ 0<br />
•<br />
⎪<br />
⎨Lθ<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
⎡A<br />
→<br />
0<br />
σ ( O ) =<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
R<br />
⎢⎣<br />
0<br />
1<br />
0<br />
C<br />
0<br />
•<br />
⎛ ⎞<br />
0⎤<br />
⎜ϕ<br />
⎟ ⎛ L⎞<br />
⎜ ⎟<br />
0<br />
⎥ ⎜ ⎟<br />
⎥<br />
0 + ⎜ 0 ⎟ ∧ m<br />
⎜ • ⎟<br />
C⎥<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎦ θ ⎝ 0 ⎠<br />
⎝ ⎠<br />
R1<br />
R<br />
1<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨Lθ<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
•<br />
=<br />
•<br />
⎛<br />
Aϕ<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
R ⎝<br />
1<br />
0<br />
⎞<br />
•<br />
( + ) ⎟ ⎟⎟⎟ 2<br />
C mL θ<br />
⎠<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
1 0 → →<br />
0 d σ ( O)<br />
d σ ( O)<br />
0 0<br />
δ ( O)<br />
= = + Ω1<br />
∧ σ ( O)<br />
dt dt<br />
→<br />
→<br />
0<br />
δ ( O ) =<br />
R<br />
••<br />
⎛<br />
⎜ Aϕ<br />
0<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎝<br />
1<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
+<br />
⎟<br />
⎛ 0⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ 0⎟∧<br />
•<br />
⎛<br />
⎜ Aϕ<br />
⎜<br />
0<br />
⎜<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
=<br />
⎟<br />
••<br />
⎛<br />
Aϕ<br />
• •<br />
( ) ( ) ( )<br />
⎟ ⎟⎟⎟ ••<br />
•<br />
•<br />
2 ⎜ ⎟<br />
2<br />
⎟ ⎝ ⎠ ⎜ + ⎟<br />
⎜<br />
••<br />
C + mL θ θ<br />
θ<br />
2<br />
+ θ<br />
⎠<br />
R C mL C mL<br />
1 ⎝<br />
⎠<br />
R<br />
⎠<br />
1<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
R ⎝<br />
1<br />
Aϕθ<br />
⎞<br />
4. L’énergie cinétique du système<br />
E<br />
C<br />
E C<br />
=<br />
=<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
⎛<br />
m⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
2<br />
mL θ<br />
⎞<br />
( O1<br />
) ⎟<br />
⎠<br />
•<br />
2<br />
+<br />
1<br />
2<br />
2<br />
→<br />
0T<br />
2<br />
1<br />
+ Ω<br />
2<br />
Aϕ<br />
•<br />
2<br />
+<br />
. I<br />
1<br />
Cθ<br />
2<br />
O1<br />
•<br />
2<br />
→<br />
0<br />
2<br />
. Ω<br />
=<br />
1<br />
2<br />
•<br />
⎛ ⎞<br />
⎡A<br />
0 0⎤<br />
⎜ϕ<br />
⎟<br />
• • •<br />
2 2 1⎛<br />
⎞<br />
mL θ +<br />
⎢ ⎥ ⎜ ⎟<br />
⎜ϕ,<br />
0, θ ⎟<br />
⎝ ⎠ ⎢<br />
0 C 0<br />
⎥<br />
0<br />
2<br />
⎜ • ⎟<br />
R<br />
⎢⎣<br />
0 0 C⎥⎦<br />
⎜θ<br />
⎟<br />
1<br />
R ⎝ ⎠<br />
1<br />
5. Théorème de la résultante dynamique au système<br />
La somme des forces appliquées au système est égale à la masse du système par l’accélération<br />
de son centre d’inertie.<br />
→<br />
=<br />
→<br />
∑ F 0 ext<br />
mγ ( O 1<br />
) ; avec :<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ −<br />
2<br />
Lθ<br />
→<br />
••<br />
0<br />
γ ( O1<br />
) = ⎨ Lθ<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
1<br />
318
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
R O<br />
→<br />
→<br />
+ m g = mγ 0 ( O 1<br />
) ⇔<br />
⎧<br />
⎪ R<br />
⎪<br />
⎨R<br />
⎪R<br />
⎪<br />
⎩<br />
•<br />
2<br />
Ox<br />
+ mg cosθ<br />
= −mLθ<br />
••<br />
Oy<br />
Oz<br />
+ R<br />
+ R<br />
O1y<br />
O1z<br />
− mg sinθ<br />
= Lθ<br />
= 0<br />
6. Théorème du moment dynamique du système au point O<br />
Le moment des forces extérieures est égal au moment dynamique au même point O.<br />
−→ → →<br />
M ext<br />
0<br />
∑ 0<br />
( F ) = δ ( O)<br />
⇔ OO<br />
0<br />
1∧<br />
RO<br />
1+<br />
OO1<br />
∧ m g = δ ( O)<br />
−−→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
⎛ L⎞<br />
⎛ 0<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎜ 0 ⎟∧<br />
⎜ RO<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
R ⎝ 0 ⎠ R ⎝ RO<br />
1<br />
1<br />
1y<br />
1z<br />
⎞ ⎛ L⎞<br />
⎛ mg cosθ<br />
⎞<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎟+<br />
⎜ 0 ⎟∧<br />
⎜−<br />
mg sinθ<br />
⎟=<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎠ R ⎝ 0 ⎠ R ⎝ 0 ⎠<br />
1<br />
1<br />
••<br />
⎛<br />
Aϕ<br />
• •<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
⎜<br />
R ⎝<br />
1<br />
Aϕθ<br />
⎞<br />
••<br />
2<br />
( C + mL ) θ ⎟ ⎟⎟⎟⎟ ⎠<br />
⎛ 0<br />
⎜<br />
⎜−<br />
LR<br />
⎜<br />
⎝ LR<br />
R<br />
O<br />
1<br />
•<br />
ϕ = Cte<br />
••<br />
⎛<br />
⎞ ⎜ Aϕ<br />
⎟ ⎜<br />
• •<br />
O 1z<br />
⎟=<br />
⎜ Aϕθ<br />
⇔<br />
−<br />
⎟<br />
••<br />
θ ⎜<br />
2<br />
⎠<br />
( + ) θ ⎟ ⎟⎟⎟⎟ 1y<br />
mgLsin<br />
C mL<br />
R ⎝ ⎠<br />
1<br />
⎞<br />
••<br />
⎧<br />
⎪<br />
Aϕ<br />
= 0<br />
• •<br />
⎨−<br />
LRO<br />
1z<br />
= Aϕθ<br />
⎪<br />
⎪−<br />
mgLsinθ<br />
+ LRO<br />
1y<br />
⎩<br />
=<br />
2<br />
( C + mL )<br />
••<br />
θ<br />
R O1 z<br />
A<br />
= − ϕθ<br />
L<br />
• •<br />
2<br />
( C + mL )••<br />
θ sinθ<br />
R O y<br />
+<br />
1<br />
=<br />
mg<br />
L<br />
Exercice : 04<br />
Soit<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
) un repère orthonormé fixe lié au bati d’une éolienne constitué d’une<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
girouette et d’une hélice. La girouette (S1) lié au repère R O,<br />
x , y , z ) , a une liaison pivot<br />
avec le bati fixe de manière à tourner dans le plan horizontal autour de l’axe<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−→ →<br />
=<br />
1<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
, α = ( x0<br />
, x1<br />
) = ( y0<br />
, y1)<br />
et OG a x où a : est une constante positive.<br />
→<br />
( O,<br />
z0<br />
) , avec<br />
319
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
→ → → →<br />
(<br />
1 2 1 2<br />
L’hélice (S 2 ) est lié au repère R O,<br />
x , y , z ) et ayant un rayon GP b z , tourne autour de<br />
→ →<br />
1<br />
≡ x 2<br />
l’axe x tel que : β = z , z ) = ( y , y ) .<br />
La girouette a un moment d’inertie par rapport à l’axe<br />
→<br />
−−→ →<br />
=<br />
2<br />
( O,<br />
z0<br />
) qui est égal à : I<br />
Le tenseur d’inertie de hélice de masse M et de centre d’inertie G dans le repère<br />
R 2<br />
est donné<br />
⎡A<br />
0 0⎤<br />
par : I G<br />
( S<br />
2<br />
)<br />
R<br />
=<br />
⎢<br />
0 B 0<br />
2<br />
⎢<br />
⎢0<br />
0 C⎥ ⎥⎥ ⎣ ⎦ R2<br />
Un balourd représenté par une masse ponctuelle m située à l’extrémité de l’hélice au point P<br />
→<br />
sur l’axe G,<br />
z ) .<br />
(<br />
2<br />
Déterminer :<br />
1. Le moment cinétique de la girouette dans son mouvement par rapport à l’axe ( O,<br />
z ) ;<br />
→<br />
σ (<br />
2 0<br />
2<br />
0<br />
2. Le moment cinétique S / R ) de l’hélice au point O exprimé dans le repère R ;<br />
0<br />
3. Le moment dynamique de l’hélice par rapport à l’axe O , z ) : z • δ ( S / ) , exprimé<br />
R 2<br />
(<br />
0<br />
dans le repère ;<br />
4. Le moment cinétique du balourd par rapport au repère et exprimé dans le repère R ;<br />
5. L’énergie cinétique totale du système par rapport au repère .<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0 2 R0<br />
R0<br />
2<br />
R 0<br />
→<br />
0<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
→<br />
z 2<br />
β<br />
→<br />
z 0<br />
(S 1 )<br />
O<br />
P<br />
•<br />
→<br />
y<br />
0<br />
→<br />
x 0<br />
α<br />
G<br />
→<br />
x 1<br />
(S 2 )<br />
320
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) repère fixe lié au bâti ;<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ →<br />
0<br />
≡ z 1<br />
→ → → →<br />
(<br />
0 1 0 1<br />
R O,<br />
x , y , z ) tel que : z ; α = x , x ) = ( y , y ) et<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
→ →<br />
1<br />
≡ x 2<br />
→ → → →<br />
(<br />
1 2 1 2<br />
R G,<br />
x , y , z ) tel que : x ; β = z , z ) = ( y , y ) et<br />
→ • → • →<br />
0<br />
Ω1 = α z1<br />
= α z0<br />
→ • → • →<br />
0<br />
Ω<br />
2<br />
= β x1<br />
= β x2<br />
−−→ → →<br />
=<br />
1<br />
x2<br />
Nous avons aussi : OG a x = a ;<br />
−−→ →<br />
GP = b z2<br />
I zz<br />
( S1)<br />
R<br />
= I ;<br />
0<br />
I G<br />
( S<br />
2<br />
)<br />
R<br />
2<br />
⎡A<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
B<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
C⎥ ⎥⎥ ⎦ R<br />
2<br />
→ →<br />
1. Moment cinétique de la girouette par rapport à l’axe O , z ) : z •σ S / )<br />
→<br />
(<br />
0<br />
⎡I<br />
xx<br />
0 0 ⎤ ⎛ 0 ⎞<br />
→<br />
→<br />
⎜ ⎟ • →<br />
0<br />
σ S R I S<br />
⎢<br />
R<br />
I<br />
⎥<br />
0<br />
(<br />
1<br />
/<br />
0<br />
)<br />
0<br />
(<br />
1)<br />
. Ω1<br />
=<br />
⎢<br />
0<br />
yy<br />
0<br />
⎥ ⎜ 0 ⎟ = I<br />
zz<br />
α z0<br />
= I α<br />
0<br />
•<br />
⎢ I ⎥ ⎜ ⎟<br />
⎣ 0 0<br />
zz ⎦ R ⎝α<br />
⎠<br />
• →<br />
=<br />
0<br />
→ →<br />
• → → •<br />
⎛ ⎞<br />
z0 • σ<br />
0<br />
( S1<br />
/ R0<br />
) = ⎜ I α z0<br />
⎟ • z0<br />
= I α<br />
⎝ ⎠<br />
→<br />
0<br />
0 0<br />
(<br />
1<br />
R0<br />
0<br />
2. Moment cinétique σ ( S<br />
2<br />
)<br />
R<br />
de l’hélice au point O exprimé dans le repère R2<br />
;<br />
2<br />
Le moment cinétique de l’hélice en O est donné par la relation :<br />
z<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
0<br />
σ<br />
0<br />
( S2<br />
/ R0<br />
) = σ<br />
G<br />
( S2<br />
/ R0<br />
) + M OG∧V<br />
( G)<br />
→<br />
0<br />
0<br />
σ<br />
0<br />
( S2<br />
/ R0<br />
) = I<br />
G<br />
( S2<br />
)<br />
R<br />
. Ω<br />
2<br />
+ M OG∧V<br />
( G)<br />
0<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z 2<br />
β<br />
→<br />
z 1<br />
→<br />
y<br />
2<br />
Or nous avons :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
• →<br />
• →<br />
0 1 0<br />
Ω<br />
2<br />
= Ω<br />
2<br />
+ Ω1<br />
= β x2<br />
+ α z1<br />
avec :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z1 = sin β y2<br />
+ cos β z2<br />
G<br />
→ →<br />
x 1 ≡ x 1<br />
β<br />
→<br />
y 1<br />
D’où :<br />
→<br />
0<br />
Ω<br />
2<br />
• → •<br />
→<br />
⎛<br />
= β x2<br />
+ α⎜sin<br />
β y2<br />
+ cos β z<br />
⎝<br />
→<br />
2<br />
⎞<br />
⎟=<br />
⎠<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
β<br />
•<br />
⎨α<br />
sin β<br />
•<br />
⎪<br />
⎪α<br />
cos β<br />
R ⎩<br />
2<br />
321
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( G)<br />
=<br />
−−→<br />
0<br />
d OG<br />
dt<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
−−→<br />
⎪<br />
β<br />
2<br />
→<br />
d OG<br />
−−→ •<br />
0<br />
+ Ω<br />
2<br />
∧ OG=<br />
⎨α<br />
sin β ∧<br />
dt<br />
•<br />
⎪<br />
⎪α<br />
cos β R2<br />
R ⎩<br />
2<br />
⎧a<br />
⎪<br />
⎨0=<br />
⎪<br />
⎩0<br />
R<br />
2<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
•<br />
⎨ aα<br />
cos β<br />
•<br />
⎪<br />
⎩−<br />
aα<br />
sin β<br />
→<br />
σ ( S<br />
0<br />
2<br />
/ R<br />
⎡A<br />
) =<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
R<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
2<br />
0<br />
B<br />
0<br />
0 ⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
.<br />
C⎥⎦<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
β<br />
•<br />
⎨α<br />
sin β +<br />
•<br />
⎪<br />
⎪α<br />
cos β<br />
R ⎩<br />
2<br />
⎧a<br />
⎪<br />
M ⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
2<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
•<br />
∧ ⎨ aα<br />
cos β<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩−<br />
aα<br />
sin β<br />
2<br />
→<br />
• → • → • →<br />
• →<br />
• →<br />
2<br />
2<br />
0<br />
( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) = A β x2<br />
+ Bα<br />
sin β y2<br />
+ Cα<br />
cos β z2<br />
+ Ma α sin β y2<br />
+ Ma α cos β z2<br />
σ<br />
→<br />
• →<br />
• →<br />
• →<br />
2<br />
2<br />
0<br />
( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) = A β x2<br />
+ ( B + Ma ) α sin β y2<br />
+ ( C + Ma ) α cos β z2<br />
σ<br />
0<br />
3. Moment dynamique de l’hélice par rapport à l’axe ( O,<br />
z0<br />
) : z0 • ( S<br />
2<br />
)<br />
R<br />
dans<br />
→<br />
→ →<br />
δ<br />
Le moment dynamique est déduit à partir du moment cinétique par :<br />
2<br />
R2<br />
→<br />
0 0<br />
0 d σ ( S<br />
2<br />
/ R0<br />
)<br />
δ ( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) =<br />
⇔<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
z<br />
→<br />
0<br />
δ ( S<br />
0<br />
•<br />
2<br />
/ R ) = z<br />
0<br />
→<br />
d<br />
0<br />
•<br />
0<br />
→<br />
0<br />
σ ( S<br />
dt<br />
2<br />
/ R )<br />
0<br />
→ 0<br />
d<br />
z0<br />
•<br />
→<br />
0<br />
σ ( S<br />
dt<br />
2<br />
/ R )<br />
0<br />
=<br />
d<br />
0<br />
⎛<br />
⎜ z<br />
⎝<br />
→ →<br />
0<br />
0<br />
• σ ( S<br />
2<br />
dt<br />
⎞<br />
/ R0<br />
) ⎟<br />
→<br />
⎠ 0<br />
− σ ( S<br />
2<br />
→<br />
0<br />
d z<br />
/ R0<br />
).<br />
dt<br />
0<br />
=<br />
d<br />
0<br />
⎛<br />
⎜ z<br />
⎝<br />
→ →<br />
0<br />
0<br />
• σ ( S2<br />
dt<br />
/ R<br />
0<br />
⎞<br />
) ⎟<br />
⎠<br />
car :<br />
→<br />
0<br />
d z<br />
dt<br />
0<br />
→<br />
= 0<br />
ce qui donne :<br />
→ →<br />
0<br />
z0<br />
• δ ( S<br />
2<br />
/ R<br />
0<br />
) =<br />
d<br />
0<br />
⎛<br />
⎜ z<br />
⎝<br />
→ →<br />
0<br />
0<br />
• σ ( S<br />
2<br />
dt<br />
/ R<br />
0<br />
⎞<br />
) ⎟<br />
⎠<br />
d<br />
0<br />
⎛<br />
⎜ z<br />
⎝<br />
→ →<br />
0 ⎞<br />
0<br />
• σ ( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) ⎟<br />
0<br />
⎠ d<br />
→<br />
⎛<br />
= ⎜ z0<br />
•<br />
dt dt ⎝<br />
• →<br />
⎛<br />
⎜ A β x2<br />
+<br />
⎝<br />
• →<br />
•<br />
2<br />
2<br />
( B + Ma ) α sin β y2<br />
+ ( C + Ma )<br />
• → →<br />
2<br />
2<br />
( B + Ma ) α sin β ( z • y ) + ( C + Ma )<br />
→<br />
α cos β z<br />
→<br />
0<br />
d<br />
• → →<br />
•<br />
0<br />
⎛<br />
δ ( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) = ⎜ A β ( z0<br />
• x2<br />
) +<br />
0 2<br />
α cos β z<br />
dt ⎝<br />
→<br />
→ →<br />
z0 •<br />
(<br />
0<br />
• z2<br />
2<br />
⎞⎞<br />
⎟⎟<br />
⎠⎠<br />
)<br />
⎟ ⎠<br />
⎞<br />
322
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ →<br />
(<br />
0 2<br />
=<br />
or nous avons : z • x ) 0 ;<br />
→ →<br />
π<br />
→ →<br />
z<br />
0<br />
• y ) = cos( − β ) = sin β ; ( z<br />
0<br />
• z<br />
2 ) = cos β<br />
2<br />
(<br />
2<br />
•<br />
2 2<br />
2<br />
( B + Ma ) α sin β + ( C + Ma )<br />
→ →<br />
0<br />
d<br />
•<br />
0<br />
⎛<br />
2 ⎞<br />
z0 • δ ( S2<br />
/ R0<br />
) = ⎜<br />
α cos β ) ⎟<br />
dt ⎝<br />
⎠<br />
2<br />
2<br />
( Bsin<br />
β + C )<br />
→ →<br />
0<br />
d<br />
•<br />
0<br />
⎛<br />
z0 • δ ( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) = ⎜α<br />
cos β + Ma<br />
dt ⎝<br />
2<br />
⎟ ⎠<br />
⎞<br />
4. Moment cinétique du balourd par rapport à et exprimé dans R ;<br />
R0<br />
2<br />
Le balourd est une masse ponctuelle, son moment cinétique est donné par :<br />
⎧a<br />
→<br />
−→ →<br />
−→ −→ −→ → →<br />
0<br />
0<br />
⎪<br />
σ ( P / R0<br />
) = OP∧<br />
mV ( P)<br />
, avec : OP = OG+<br />
GP = a x2<br />
+ b z2<br />
= ⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩b<br />
2<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( P)<br />
=<br />
−→<br />
0<br />
d OP<br />
dt<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
−→<br />
⎪<br />
β<br />
2<br />
→<br />
d OP<br />
−→ •<br />
0<br />
+ Ω<br />
2<br />
∧ OP=<br />
⎨α<br />
sin β ∧<br />
dt<br />
•<br />
⎪<br />
⎪α<br />
cos β R2<br />
R ⎩<br />
2<br />
⎧a<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
⎩b<br />
=<br />
R<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
bα<br />
sin β<br />
•<br />
•<br />
⎨ aα<br />
cos β − b β<br />
•<br />
⎪<br />
⎪aα<br />
sin β<br />
⎩<br />
2<br />
⎧a<br />
→<br />
0 ⎪<br />
σ ( P / R0<br />
) = ⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩b<br />
2<br />
∧<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
bα<br />
sin β<br />
•<br />
m ⎨ aα<br />
cos β − b β<br />
•<br />
⎪<br />
⎪aα<br />
sin β<br />
R ⎩<br />
2<br />
•<br />
= m<br />
•<br />
•<br />
⎧ ⎛<br />
⎞<br />
⎪−<br />
b⎜aα<br />
cos β − b β ⎟<br />
⎪<br />
⎝<br />
⎠<br />
•<br />
•<br />
2<br />
2<br />
⎨ b α sin β − a α sin β<br />
⎪ •<br />
•<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎪ a⎜aα<br />
cos β − b β ⎟<br />
⎪ ⎝<br />
⎠<br />
R ⎩<br />
2<br />
→<br />
0<br />
⎛<br />
⎞ ⎛<br />
⎞ ⎛<br />
⎞<br />
σ ( P / R0<br />
)<br />
z<br />
⎝<br />
⎠ ⎝<br />
⎠ ⎝<br />
⎠<br />
→<br />
0<br />
• •<br />
→<br />
•<br />
•<br />
→<br />
•<br />
• →<br />
2<br />
2<br />
= mb⎜b<br />
β − aα<br />
cos β ⎟ x2<br />
+ m⎜b<br />
α sin β − a α sin β ⎟ y2<br />
+ ma⎜aα<br />
cos β − b β ⎟ 2<br />
2 2<br />
( b − a )<br />
⎛<br />
⎞<br />
⎛<br />
⎞<br />
σ ( P / R0<br />
)<br />
z<br />
⎝<br />
⎠<br />
⎝<br />
⎠<br />
• •<br />
→ •<br />
→<br />
•<br />
• →<br />
= mb⎜b<br />
β − aα<br />
cos β ⎟ x2<br />
+ mα<br />
sin β y2<br />
+ ma⎜aα<br />
cos β − b β ⎟ 2<br />
5. Energie cinétique totale du système par rapport au repère R 0<br />
.<br />
E<br />
L’énergie cinétique du système est égale à la somme des énergies cinétiques de chaque<br />
solide par rapport au même repère.<br />
( ∑ / R0 ) = EC<br />
( S1<br />
/ R0<br />
) + EC<br />
( S2<br />
/ R0<br />
) EC<br />
( S3<br />
/ R0<br />
)<br />
C<br />
+<br />
323
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Energie cinétique de la girouette :<br />
E<br />
C<br />
( S / R )<br />
1<br />
→<br />
1<br />
•<br />
0 1<br />
0<br />
= I Ω1<br />
= I α<br />
2 2<br />
Energie cinétique de l’hélice :<br />
( S R ) [ Torseur cinétique] [ Torseur cinétmatique<br />
2<br />
/<br />
0<br />
]<br />
1<br />
E C<br />
= ×<br />
2<br />
E<br />
C<br />
→<br />
→<br />
⎡ 0 ⎤ ⎡ ⎤ →<br />
→<br />
→<br />
→<br />
M V G ⎢ Ω<br />
0<br />
1 ⎢ ( ) ⎥ 2 ⎥ 0<br />
0<br />
0<br />
2<br />
/<br />
0<br />
=<br />
→<br />
→<br />
= V ( O)<br />
• M V ( G)<br />
+ σ ( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) Ω<br />
2 ⎢ 0 ⎥ ⎢ 0 ⎥<br />
⎣σ<br />
( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) ⎦ ⎣V<br />
( O)<br />
⎦<br />
( S R )<br />
0<br />
2<br />
or nous avons :<br />
→<br />
→<br />
V 0 ( O)<br />
= 0<br />
⎧<br />
⎪<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
β<br />
•<br />
α sin β<br />
•<br />
A β<br />
→<br />
→<br />
1<br />
•<br />
0<br />
0 1 ⎪<br />
2<br />
⎪<br />
E C<br />
( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) = σ ( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) Ω<br />
2<br />
= ⎨( B + Ma ) α sin β •<br />
( ) ⎪ ⎪ ⎨<br />
2<br />
2<br />
•<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
⎪ C + Ma α cos β α<br />
R ⎩<br />
⎩<br />
2<br />
R2<br />
E C<br />
E C<br />
⎛<br />
2 0<br />
cos<br />
2 ⎝<br />
cos β<br />
•<br />
•<br />
•<br />
1 2<br />
2 2 2<br />
2 2 2 ⎞<br />
( S / R ) = ⎜ A β + ( B + Ma ) α sin β + ( C + Ma<br />
) α β ⎟<br />
⎠<br />
⎛<br />
2 ⎝<br />
•<br />
•<br />
1 2<br />
2<br />
2<br />
2 2 ⎞<br />
( S / R ) = ⎜ A β + ( Bsin<br />
β + C cos β + Ma<br />
α ⎟<br />
⎠<br />
2 0<br />
)<br />
Energie cinétique du balourd P :<br />
2<br />
→<br />
→<br />
1 ⎛ 0 ⎞<br />
E C<br />
( P / R0 ) = m⎜V<br />
( P)<br />
⎟ or la vitesse V 0 ( P)<br />
est calculée précédemment, nous aurons :<br />
2 ⎝ ⎠<br />
E C<br />
E C<br />
E C<br />
( P / R )<br />
( P / R )<br />
( P R )<br />
•<br />
1 2 2 2 1<br />
•<br />
•<br />
•<br />
⎛<br />
⎞ 1 2 2<br />
0<br />
= mb α sin β + m⎜aα<br />
cos β − b β ⎟ + ma α sin<br />
2<br />
2 ⎝<br />
⎠ 2<br />
•<br />
•<br />
• •<br />
1 ⎛<br />
• •<br />
2 2 2 2 2 2<br />
2 2 2 2<br />
0<br />
= m⎜b<br />
α sin β + a α cos β − 2abα β cos β + b β + a α sin<br />
2 ⎝<br />
•<br />
• •<br />
1 ⎛<br />
• •<br />
2 2 2<br />
2 2 2 2 ⎞<br />
/<br />
0<br />
= m⎜b<br />
α sin β − 2abα β cos β + a α + b β ⎟<br />
2 ⎝<br />
⎠<br />
La somme des trois termes donne l’énergie cinétique totale du système :<br />
2<br />
2<br />
β<br />
2<br />
⎞<br />
β ⎟<br />
⎠<br />
324
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
( ∑ / R0<br />
)<br />
=<br />
•<br />
1<br />
•<br />
1 ⎛ 2<br />
I α + ⎜ A β + ( Bsin<br />
2 2 ⎝<br />
1 ⎛<br />
+ m⎜b<br />
2 ⎝<br />
2<br />
•<br />
2<br />
α sin<br />
2<br />
2<br />
2<br />
β + C cos β + Ma ) α<br />
• •<br />
•<br />
2<br />
2 2 2<br />
β − 2abα β cos β + a α + b<br />
•<br />
2 ⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
E C<br />
( ) ( )<br />
•<br />
2 ⎞<br />
β ⎟<br />
⎠<br />
E C<br />
∑<br />
/ R<br />
0<br />
=<br />
1 2<br />
α<br />
2<br />
•<br />
2<br />
2<br />
2 2 2 2<br />
[ I + B sin β + C cos β + Ma + m b sin β + a ]<br />
+<br />
•<br />
• •<br />
2 2<br />
( A + mb ) β − 2mabα β cos β<br />
Exercice 05 :<br />
Un système de ventilation automatisé est composé de deux barres identiques et homogènes,<br />
soudées entre elles au point A et d’une hélice de rayon R et de masse M.<br />
(S 1 ): OA = L de masse m ; (S 2 ): AB = L de masse m ; (S 3 ): Hélice avec: BM = BN = R de<br />
masse M . Le système est en mouvement comme le montre la figure (2).<br />
⎡A<br />
0 0⎤<br />
Le tenseur d’inertie en B de l’hélice dans R 2<br />
est donné par : I B<br />
( S3)<br />
R<br />
=<br />
⎢<br />
0 B 0<br />
2<br />
⎢<br />
⎢0<br />
0 A⎥ ⎥⎥ ⎣ ⎦ R<br />
→ → →<br />
R1<br />
(<br />
1 1 1<br />
0<br />
Le repère O,<br />
x , y , z ) est en rotation par rapport à R autour de l’axe z z ≡ sens<br />
→<br />
→<br />
→<br />
positif. Le repère R2<br />
( A,<br />
x2<br />
, y2<br />
, z2<br />
) de centre A est tel que y 1<br />
// y 2<br />
.<br />
→<br />
→<br />
2<br />
→ → →<br />
0<br />
≡<br />
1<br />
z2<br />
Le repère B,<br />
x , y , z ) est en rotation par rapport à R autour de l’axe y 2<br />
y sens<br />
négatif.<br />
→ → →<br />
R3<br />
(<br />
3 3 3<br />
2<br />
→ →<br />
≡<br />
3<br />
•<br />
•<br />
R2 : est le repère de projection ; On considère que : ψ = Cte et ϕ = Cte<br />
Déterminer :<br />
1) Le centre d’inertie du système dans le repère R 2 ;<br />
2) Le tenseur d’inertie du système au point A dans le repère R 2 ;<br />
3) La matrice de passage de R 0 vers R 1 et de R 3 vers R 2 ;<br />
4) La vitesse de rotation instantanée du repère R 3 par rapport à R 0 ;<br />
5) La vitesse et l’accélération absolues du point B par dérivation ;<br />
6) La vitesse et l’accélération absolues du point M par la cinématique du solide ;<br />
7) La vitesse et l’accélération absolues du point N par composition de mouvement, R 2 étant<br />
le repère relatif ;<br />
8) Le moment cinétique du solide S 3 au point A dans le repère R 2 ;<br />
9) Le moment dynamique du solide S 3 au point A dans le repère R 2 ;<br />
10) L’énergie cinétique du système<br />
325
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ → →<br />
z<br />
0<br />
≡ z1<br />
= z2<br />
L<br />
A (S 2 )<br />
L<br />
(S 1 )<br />
(S 3 )<br />
N<br />
B<br />
M<br />
→<br />
y<br />
1<br />
→ →<br />
y 2 ≡ y 3<br />
→<br />
z<br />
3<br />
N<br />
ϕ<br />
→<br />
z<br />
2<br />
M<br />
→<br />
x<br />
3<br />
→<br />
x<br />
0<br />
O<br />
ψ<br />
→<br />
x<br />
1<br />
ψ<br />
→<br />
y<br />
0<br />
B<br />
ϕ<br />
→<br />
x<br />
2<br />
Solution :<br />
1) Centre d’inertie du système :<br />
⎧ 0<br />
⎧ 0<br />
−−→<br />
−−→<br />
⎪<br />
⎪<br />
AG<br />
1=<br />
⎨ 0 ; AG2 = ⎨L<br />
/ 2 ;<br />
⎪<br />
R ⎩−<br />
L / 2<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
2<br />
2) Tenseur d’inertie du système:<br />
2<br />
⎧0<br />
−−→<br />
⎪<br />
AG3 = ⎨L<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
2<br />
−−→<br />
=<br />
AG<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎪m.(<br />
L / 2) + M.<br />
L<br />
⎨<br />
⎪ 2<br />
⎪ − m<br />
mL + M<br />
/ 2<br />
R<br />
⎩ 2m<br />
+ M<br />
2<br />
2<br />
⎡mL<br />
/ 3 0 0⎤<br />
⎢<br />
2 ⎥<br />
I A<br />
( S1)<br />
= ⎢ 0 mL / 3 0⎥<br />
et<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎣ 0 0 0<br />
R<br />
⎦<br />
2<br />
I A<br />
2<br />
⎡mL<br />
/ 3<br />
⎢<br />
( S<br />
2<br />
) = ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎣ 0<br />
R<br />
2<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0 ⎤<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
2<br />
mL / 3⎥<br />
⎦<br />
⎡A<br />
0 0⎤<br />
I<br />
⎢ ⎥<br />
B<br />
( S3 ) =<br />
⎢<br />
0 B 0<br />
⎥<br />
; Huygens ⇒<br />
R<br />
⎢⎣<br />
0 0 A⎥⎦<br />
2<br />
I B<br />
( S<br />
3<br />
) =<br />
R<br />
2<br />
⎡A<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
+ ML<br />
0<br />
0<br />
2<br />
0<br />
B<br />
0<br />
0<br />
0<br />
A + ML<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
I A<br />
2 2<br />
⎡A<br />
+ ML + 2mL<br />
/ 3<br />
⎢<br />
( Système)<br />
= ⎢ 0<br />
⎢<br />
⎣ 0<br />
R<br />
2<br />
0<br />
B + mL<br />
0<br />
2<br />
/ 3<br />
A + ML<br />
0<br />
0<br />
2<br />
+ mL<br />
2<br />
⎤<br />
⎥ ⎥⎥ / 3⎦<br />
326
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3) Matrices de passage :<br />
⎡cosψ<br />
− sinψ<br />
0⎤<br />
P =<br />
⎢<br />
⎥<br />
R →<br />
⎢<br />
sin cos 0<br />
0 R<br />
ψ ψ<br />
1<br />
⎥<br />
et<br />
⎢⎣<br />
0 0 1⎥⎦<br />
P R3 →R 2<br />
⎡ cosϕ<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
− sinϕ<br />
0<br />
1<br />
0<br />
sinϕ<br />
⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
cosϕ⎥⎦<br />
4) Vitesse de rotation instantanée du repère R 3 par rapport au repère R 0<br />
→<br />
0<br />
3<br />
Ω<br />
→<br />
2<br />
3<br />
= Ω<br />
→<br />
1<br />
2<br />
+ Ω<br />
→<br />
0<br />
1<br />
+ Ω<br />
• →<br />
= −ϕ<br />
y<br />
2<br />
→<br />
• →<br />
+ 0+<br />
ψ z<br />
2<br />
=<br />
R<br />
2<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨−<br />
⎪<br />
⎩<br />
0<br />
•<br />
ϕ<br />
•<br />
ψ<br />
→<br />
→<br />
5) V 0 ( B)<br />
et γ<br />
0 ( B)<br />
par dérivation<br />
−−→<br />
−−→<br />
−−→<br />
OB = OA+<br />
AB = L z<br />
⎧0<br />
⎪<br />
= ⎨L<br />
⎪<br />
⎩L<br />
→ →<br />
2<br />
+ L y2<br />
;<br />
•<br />
⎧<br />
−−→ −−→<br />
⎧0<br />
⎧0<br />
⎪ − Lψ<br />
→<br />
0<br />
2<br />
→ −−→<br />
0 d OB d OB 0 ⎪ ⎪<br />
V ( B)<br />
= = + Ω<br />
2<br />
∧ OB=<br />
⎨0∧<br />
⎨L=<br />
⎨ 0 ; avec<br />
dt dt<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩ψ<br />
⎩L<br />
0<br />
2<br />
R2<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
−−→<br />
2<br />
d OB<br />
dt<br />
→<br />
= 0<br />
→<br />
0<br />
γ ( B ) =<br />
d<br />
→<br />
0 0<br />
V ( B)<br />
dt<br />
=<br />
d<br />
2<br />
→<br />
0 → →<br />
V ( B)<br />
0<br />
+ Ω<br />
2<br />
∧V<br />
dt<br />
⎧0<br />
⎪<br />
( B)<br />
= ⎨0∧<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩ψ<br />
2<br />
R<br />
0<br />
2<br />
•<br />
⎧ ⎪ − Lψ<br />
⎨ 0 =<br />
⎪ 0<br />
⎪⎩<br />
R<br />
2<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨−<br />
⎪<br />
⎩<br />
0<br />
•<br />
2<br />
Lψ<br />
0<br />
; avec<br />
d<br />
→<br />
2 0<br />
V ( B)<br />
dt<br />
→<br />
= 0<br />
→<br />
→<br />
6) V 0 ( M ) et γ<br />
0 ( M ) par la cinématique du solide<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
3<br />
−−→<br />
−−→<br />
=<br />
( M ) = V ( B)<br />
+ Ω ∧ BM avec : BM<br />
⎧R<br />
⎪<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
3<br />
⎧R<br />
cosϕ<br />
⎪<br />
= ⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩R<br />
sinϕ<br />
2<br />
327
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
328<br />
A.KADI<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
=<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
+<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧ −<br />
=<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
→<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
sin<br />
0<br />
cos<br />
0<br />
0<br />
0<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
R<br />
R<br />
R<br />
L<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
L<br />
R<br />
M<br />
V<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
0<br />
3<br />
0<br />
3<br />
0<br />
3<br />
0<br />
0<br />
0<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
∧<br />
Ω<br />
∧<br />
+ Ω<br />
∧<br />
Ω<br />
+<br />
= BM<br />
BM<br />
dt<br />
d<br />
B<br />
M<br />
γ<br />
γ<br />
)<br />
(<br />
0 B<br />
→<br />
γ : déjà calculée<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
=<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
=<br />
∧ Ω<br />
+ Ω<br />
Ω<br />
=<br />
Ω<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
3<br />
0<br />
2<br />
0<br />
3<br />
2<br />
0<br />
3<br />
0 ϕ<br />
ψ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
R<br />
R<br />
R<br />
dt<br />
d<br />
dt<br />
d<br />
avec<br />
→<br />
→<br />
=<br />
Ω<br />
0<br />
0<br />
3<br />
2<br />
dt<br />
d<br />
( sont constantes)<br />
•<br />
•<br />
ψ etϕ<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
=<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
∧<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
=<br />
∧<br />
Ω<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
−−→<br />
→<br />
0<br />
sin<br />
0<br />
sin<br />
0<br />
cos<br />
0<br />
0<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
3<br />
0<br />
ϕ<br />
ψ ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ ϕ<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
BM<br />
dt<br />
d<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧ −<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
=<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
=<br />
∧<br />
Ω<br />
∧<br />
Ω<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
0<br />
sin<br />
0<br />
cos<br />
0<br />
0<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
3<br />
0<br />
3<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
BM<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
−<br />
−<br />
=<br />
∧<br />
Ω<br />
∧<br />
Ω<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ ϕ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
sin<br />
sin<br />
cos<br />
cos<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
3<br />
0<br />
3<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
BM<br />
d’où :<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
−<br />
−<br />
−<br />
=<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
→<br />
sin<br />
sin<br />
2<br />
cos<br />
cos<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ ϕ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
γ<br />
R<br />
R<br />
L<br />
R<br />
R<br />
R<br />
M
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
329<br />
A.KADI<br />
7) et par composition de mouvement<br />
)<br />
(<br />
V 0 N<br />
→<br />
)<br />
(<br />
0 N<br />
→<br />
γ<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
0<br />
2<br />
2<br />
0<br />
N<br />
V<br />
N<br />
V<br />
N<br />
V<br />
→<br />
→<br />
→<br />
+<br />
= , avec<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧−<br />
=<br />
+<br />
=<br />
+<br />
=<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
−−→<br />
−−→<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
cos<br />
sin<br />
3<br />
2<br />
R<br />
L<br />
R<br />
R z<br />
L y<br />
BN<br />
AB<br />
AN<br />
sin<br />
0<br />
cos<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
=<br />
=<br />
•<br />
•<br />
−−→<br />
→<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
R<br />
R<br />
R<br />
dt<br />
AN<br />
d<br />
N<br />
V<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
=<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧−<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
=<br />
∧<br />
+ Ω<br />
=<br />
•<br />
•<br />
•<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0<br />
cos<br />
cos<br />
sin<br />
0<br />
0<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
2 ϕ<br />
ψ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
R<br />
L<br />
R<br />
R<br />
L<br />
R<br />
R<br />
R<br />
AN<br />
A<br />
V<br />
N<br />
V<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
−<br />
−<br />
=<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
→<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
sin<br />
cos<br />
cos<br />
)<br />
(<br />
2<br />
0<br />
R<br />
R<br />
R<br />
L<br />
R<br />
N<br />
V<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
0<br />
2<br />
2<br />
0<br />
N<br />
N<br />
N<br />
N<br />
c<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
+<br />
+<br />
= γ<br />
γ<br />
γ<br />
γ<br />
sin<br />
0<br />
cos<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
=<br />
=<br />
•<br />
•<br />
→<br />
→<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
γ<br />
R<br />
R<br />
R<br />
dt<br />
N<br />
V<br />
d<br />
N<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧−<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
∧<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
=<br />
∧<br />
Ω<br />
∧<br />
+ Ω<br />
∧<br />
Ω<br />
+<br />
=<br />
•<br />
•<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
ϕ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
ψ<br />
γ<br />
γ<br />
cos<br />
sin<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
2<br />
0<br />
0<br />
0<br />
2<br />
R<br />
L<br />
R<br />
R<br />
R<br />
R<br />
AN<br />
AN<br />
dt<br />
d<br />
A<br />
N<br />
0<br />
sin<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎧<br />
−<br />
=<br />
•<br />
•<br />
→<br />
ψ<br />
ϕ<br />
ψ<br />
γ<br />
L<br />
R<br />
R<br />
N
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
0<br />
γ ( N)<br />
= 2Ω<br />
∧V<br />
c<br />
2<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0∧<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩ψ<br />
2<br />
R<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
− Rϕ<br />
cosϕ<br />
⎨ 0 =<br />
•<br />
⎪−<br />
Rϕ<br />
sinϕ<br />
⎪⎩<br />
R<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨−<br />
⎪<br />
⎩<br />
→ →<br />
• •<br />
2<br />
2<br />
( N)<br />
= 2<br />
2Rϕψ<br />
cosϕ<br />
•<br />
•<br />
⎧ 2<br />
2<br />
⎪Rϕ<br />
cosϕ<br />
+ Rψ<br />
sinϕ<br />
→<br />
• • •<br />
0 ⎪ 2<br />
γ ( N ) = ⎨ − Lψ<br />
− 2Rϕψ<br />
cosϕ<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
⎪ − Rϕ<br />
sinϕ<br />
R ⎩<br />
2<br />
2<br />
0<br />
0<br />
8) Moment cinétique du solide (S 3 ) au point A<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
σ ( A)<br />
= σ ( B)<br />
+ AB∧<br />
M V<br />
→<br />
0<br />
( B)<br />
= I<br />
B<br />
→<br />
0<br />
3<br />
−−→<br />
→<br />
0<br />
Ω + AB∧<br />
M V<br />
( B)<br />
•<br />
⎡A<br />
0 0⎤<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎜ Lψ<br />
⎜<br />
⎟<br />
• ⎟ ⎜ ⎟<br />
• →<br />
• →<br />
⎢ ⎥<br />
⎜ − ⎟ + ∧<br />
⎜ ⎟<br />
2<br />
=<br />
⎢<br />
0 B 0<br />
⎥<br />
ϕ ⎜ L⎟<br />
M 0 = −Bϕ<br />
y + +<br />
⎜ • ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
2<br />
( A ML ) ψ<br />
2<br />
σ ( A)<br />
z<br />
⎢<br />
⎜ ⎟<br />
⎣0<br />
0 A⎥⎦<br />
⎝ ⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎜ 0 ⎟<br />
R ψ R<br />
2<br />
R2<br />
2 ⎝ ⎠R<br />
⎛ −<br />
⎞<br />
2<br />
9) Moment dynamique du solide (S 3 ) au point A<br />
→<br />
→<br />
0 0 →<br />
→<br />
→<br />
0 d σ ( A)<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
δ ( A)<br />
= −V<br />
( A)<br />
∧ M V ( B)<br />
or V ( A)<br />
= 0 alors :<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
2 0 → →<br />
0 d σ ( A)<br />
d σ ( A)<br />
0 0<br />
δ ( A)<br />
= = + Ω<br />
2<br />
∧ σ ( A)<br />
dt dt<br />
→<br />
avec<br />
→<br />
0<br />
2<br />
d σ ( A)<br />
dt<br />
→<br />
= 0<br />
car<br />
• •<br />
ϕ : sont constantes<br />
ψ ,<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞<br />
→ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟<br />
0<br />
δ ( A)<br />
x<br />
⎝ ψ ⎠R<br />
⎝(<br />
A + ML ) ψ ⎠R<br />
•<br />
•<br />
• • →<br />
2<br />
= ⎜ −ϕ<br />
⎟ ∧ ⎜ − Bϕ<br />
⎟ = ( B − A − ML ) ψ ϕ<br />
2<br />
•<br />
•<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎜<br />
⎟<br />
2<br />
2<br />
2<br />
330
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
9) Energie cinétique du système au point A<br />
→<br />
solide (S 1 ) : E c1<br />
= 0 ; V 0 ( G ) 1<br />
= 0 et I = 0 dans R 2<br />
→<br />
zz<br />
solide (S 2 ) :<br />
E<br />
c 2<br />
2<br />
⎡mL<br />
/ 3 0 0 ⎤⎛<br />
0 ⎞<br />
→ →<br />
1 1<br />
•<br />
2 • 2 •<br />
0 0<br />
⎢<br />
⎥⎜<br />
⎟ 1 mL 2 mL 2<br />
= Ω<br />
2<br />
I<br />
A<br />
Ω<br />
2<br />
= (0,0, ψ ) 0 0 0 ⎜ 0 ⎟ = =<br />
2<br />
2<br />
⎢<br />
⎥<br />
ψ ψ<br />
•<br />
2<br />
2 3 6<br />
⎢ 0 0 / 3⎥⎜<br />
⎟<br />
⎣<br />
mL ⎦⎝ψ<br />
⎠<br />
solide (S 3 ) :<br />
E<br />
c 3<br />
=<br />
1<br />
2<br />
⎛<br />
M ⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
( B)<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
+<br />
1<br />
2<br />
→<br />
0<br />
3<br />
Ω<br />
I<br />
B<br />
→<br />
0<br />
3<br />
Ω<br />
=<br />
2<br />
1<br />
•<br />
⎛ ⎞<br />
M ⎜ Lψ<br />
⎟<br />
2 ⎝ ⎠<br />
⎡A<br />
1<br />
• •<br />
+ (0, −ϕ,<br />
ψ )<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
2<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
B<br />
0<br />
0⎤⎛<br />
0 ⎞<br />
⎜ • ⎟<br />
0<br />
⎥<br />
⎜−<br />
⎟<br />
⎥<br />
ϕ<br />
⎜ • ⎟<br />
A⎥⎦<br />
⎝ ψ ⎠<br />
E c 3<br />
=<br />
1<br />
2<br />
2<br />
ML ψ<br />
•<br />
2<br />
+<br />
1<br />
2<br />
Bϕ<br />
•<br />
2<br />
+<br />
1<br />
2<br />
Aψ<br />
•<br />
2<br />
Energie cinétique du système : E c = E c1 + E c2 +E c3<br />
E c<br />
2<br />
•<br />
•<br />
1 ⎛ mL 2<br />
⎞<br />
2 1 2 1<br />
( Totale)<br />
=<br />
⎜ + ML<br />
⎟ψ<br />
+ Bϕ<br />
+ Aψ<br />
2 ⎝ 3 ⎠ 2 2<br />
•<br />
2<br />
331
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 06 :<br />
On considère, dans le repère orthonormé<br />
deux barres homogènes (S1) lié au repère R<br />
1( O,<br />
x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
et (S2) lié au repère R2<br />
( B,<br />
x2<br />
, y2<br />
, z2<br />
)<br />
Les barres ont une longueur OA=AB = L , de masse m, articulées au point A . Au point B est<br />
articulée un solide (S3) qui est une masse M coulissante suivant l’axe x0<br />
. Soit G1 et G 2 les<br />
centres d’inertie, respectifs des deux barres. On prendra R 0<br />
comme repère de projection.<br />
Les tenseurs d’inertie des deux barres en leurs centres d’inertie respectifs sont donnés par :<br />
⎡0<br />
0 0⎤<br />
⎡A<br />
0 0⎤<br />
2<br />
I G 1(<br />
S1)<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0 A 0<br />
⎢0<br />
0 A⎥ ⎥⎥ ; I<br />
2<br />
( S<br />
2<br />
)<br />
⎢<br />
mL<br />
G<br />
=<br />
⎢<br />
0 0 0 avec :<br />
⎣ ⎦ R<br />
⎢0<br />
0 A⎥ ⎥⎥ A =<br />
12<br />
⎣ ⎦ R<br />
1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
) , le système mécanique constitué de<br />
→<br />
→<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
•<br />
Calculer en fonction de ( ψ , ψ , ψ et L :<br />
••<br />
→<br />
y<br />
1<br />
1. Les vitesses et les accélérations absolues<br />
des points : G 1 , G 2 , B.<br />
2. Le torseur cinétique du système au point O ;<br />
O<br />
ψ<br />
G 1<br />
•<br />
→<br />
y<br />
0<br />
→<br />
y 2<br />
3. Le torseur dynamique du système au point O ;<br />
4. L’énergie cinétique du système.<br />
B<br />
G 2<br />
•<br />
θ<br />
A<br />
→<br />
x<br />
1<br />
Solution :<br />
1. Vitesses et accélérations par dérivation :<br />
1.a. Vitesses<br />
Nous avons :<br />
→<br />
x 0<br />
π<br />
θ = −ψ<br />
⇒ cos θ = sinψ<br />
et sin θ = cosψ<br />
2<br />
→<br />
x<br />
2<br />
⎧(<br />
L / 2)cosψ<br />
−−→<br />
⎪<br />
OG<br />
1=<br />
⎨(<br />
L / 2)sinψ<br />
⇒<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
0<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( G ) =<br />
1<br />
d<br />
0<br />
−−→<br />
OG<br />
dt<br />
1<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ − ( L / 2) ψ sinψ<br />
•<br />
= ⎨ ( L / 2) ψ cosψ<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
⎧Lcosψ<br />
+ ( L / 2)cosψ<br />
= (3L<br />
/ 2)cosψ<br />
−−→<br />
⎪<br />
OG<br />
2<br />
= ⎨ Lsinψ<br />
− ( L / 2)sinψ<br />
= ( L / 2)cosψ<br />
⇒<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
0<br />
→<br />
0<br />
V ( G<br />
2<br />
) =<br />
d<br />
0<br />
−−→<br />
OG<br />
dt<br />
2<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ − (3L<br />
/ 2) ψ sinψ<br />
•<br />
= ⎨ ( L / 2) ψ cosψ<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
331
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
⎧2L<br />
cosψ<br />
−−→<br />
⎪<br />
OB = ⎨ 0<br />
⇒<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
0<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( B)<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
−−→<br />
⎪ − 2Lψ<br />
sinψ<br />
0<br />
d OB<br />
= ⎨ 0<br />
dt ⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
0<br />
1.b. Accélérations des points par dérivation :<br />
→<br />
0 d<br />
γ ( G ) =<br />
1<br />
⎧<br />
••<br />
•<br />
2<br />
→ ⎪−<br />
( L / 2)( ψ sinψ<br />
+ ψ cosψ<br />
)<br />
0<br />
••<br />
•<br />
V ( G1<br />
) ⎪<br />
2<br />
= ⎨(<br />
L / 2)( ψ cosψ<br />
−ψ<br />
ssinψ<br />
)<br />
dt ⎪<br />
0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
→<br />
0 d<br />
γ ( G ) =<br />
2<br />
→<br />
0 d<br />
γ ( B)<br />
=<br />
0<br />
0<br />
⎧<br />
••<br />
•<br />
2<br />
→ ⎪−<br />
(3L<br />
/ 2)( ψ sinψ<br />
+ ψ cosψ<br />
)<br />
0<br />
••<br />
•<br />
V ( G2<br />
) ⎪<br />
2<br />
= ⎨ ( L / 2)( ψ cosψ<br />
−ψ<br />
ssinψ<br />
)<br />
dt ⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
⎧<br />
••<br />
•<br />
→<br />
2<br />
⎪−<br />
2L(<br />
ψ sinψ<br />
+ ψ cosψ<br />
)<br />
0<br />
V ( B)<br />
= ⎨ 0<br />
dt ⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
0<br />
2. Torseur cinétique du système au point O ;<br />
Le torseur cinétique a pour éléments e réduction :<br />
- la résultante qui est égale à la somme des quantités de mouvement de chaque solide ;<br />
→<br />
0<br />
P<br />
→<br />
0<br />
= mV<br />
→<br />
0<br />
( G ) + mV<br />
1<br />
→<br />
0<br />
( G ) + M V<br />
2<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
− 2Lψ<br />
sinψ<br />
( m + M )<br />
•<br />
( B)<br />
= ⎨ Lmψ<br />
cosψ<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
- le moment cinétique total qui est égal à la somme des moments cinétiques des solides.<br />
→<br />
∑<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
σ ( / R0<br />
) = σ ( S1<br />
/ R0<br />
) + σ ( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) + σ ( S3<br />
/ R0<br />
)<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
a) moment cinétique du solide ( S 1<br />
) : σ S / R ) = I . Ω + OG ∧ mV ( G )<br />
→<br />
→<br />
→ −−→ →<br />
(<br />
1 0 G1<br />
1 1<br />
1<br />
332
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
0<br />
σ<br />
→<br />
⎡0<br />
(S<br />
⎢<br />
1/R0<br />
) =<br />
⎢<br />
0<br />
R<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
σ ( S<br />
1<br />
1<br />
0<br />
A<br />
0<br />
0⎤<br />
⎡0⎤<br />
0<br />
⎥ ⎢ ⎥<br />
⎥ ⎢<br />
0<br />
• ⎥<br />
A⎥⎦<br />
R<br />
⎢⎣<br />
ψ⎥⎦<br />
1<br />
+<br />
⎧(L/<br />
2 ) cosψ<br />
⎪<br />
⎨(L/<br />
2 ) sin ψ<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
⎧<br />
⎧<br />
⎧<br />
⎪ 0 ⎪ 0 ⎪ 0<br />
/ R0<br />
) = ⎨ 0 = ⎨ 0 = ⎨ 0<br />
• 2<br />
⎪ mL<br />
•<br />
2<br />
⎪mL<br />
• 2<br />
mL<br />
•<br />
2<br />
⎪mL<br />
•<br />
⎪Aψ<br />
+ ψ ⎪ ψ + ψ ⎪ ψ<br />
R ⎩ 4 R ⎩ 12 4 R ⎩ 3<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
∧<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ − (L/ 2 )ψ sin ψ<br />
•<br />
⎨ (L/ 2 )ψ cosψ<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
→<br />
→ −−→ →<br />
(<br />
2 0 G2<br />
2 2<br />
2<br />
0<br />
0<br />
0<br />
b) moment cinétique du solide ( S 2<br />
) : σ S / R ) = I . Ω + OG ∧ mV ( G )<br />
→<br />
0<br />
σ<br />
→<br />
⎡A<br />
(S<br />
⎢<br />
2<br />
/R0<br />
) =<br />
⎢<br />
0<br />
R<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
σ ( S<br />
2<br />
1<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
A⎥⎦<br />
R<br />
⎡0⎤<br />
⎢ ⎥<br />
⎢<br />
0<br />
• ⎥<br />
⎢⎣<br />
θ ⎥⎦<br />
1<br />
+<br />
⎧(<br />
3L/<br />
2 ) cosψ<br />
⎪<br />
⎨ (L/ 2 ) sin ψ<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
⎧<br />
⎧<br />
⎪ 0 ⎪ 0<br />
/ R0<br />
) = ⎨ 0 = ⎨ 0<br />
• 2<br />
⎪ mL<br />
•<br />
2<br />
⎪mL<br />
• 2<br />
3mL<br />
•<br />
⎪Aθ<br />
+ ψ ⎪ θ + ψ<br />
R ⎩ 4 R ⎩ 12 4<br />
0<br />
0<br />
0<br />
∧<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ − ( 3L/<br />
2 )ψ sin ψ<br />
•<br />
m ⎨ (L/ 2 )ψ cosψ<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
• •<br />
π<br />
or nous avons : θ = −ψ<br />
alors en dérivant nous avons : θ = −ψ<br />
en on obtient :<br />
2<br />
→<br />
0<br />
σ ( S<br />
2<br />
⎧<br />
⎪ 0<br />
/ R0<br />
) = ⎨ 0<br />
2<br />
⎪2mL<br />
•<br />
⎪ ψ<br />
R ⎩ 3<br />
0<br />
→<br />
0<br />
0<br />
c) moment cinétique du solide ( S 3<br />
) : σ ( S3<br />
/ R0<br />
) = OB∧<br />
mV ( B)<br />
= 0 car OB // V 0 ( B)<br />
d) Moment cinétique du système :<br />
→<br />
0<br />
σ (<br />
∑<br />
⎧ ⎧<br />
⎪ 0 ⎪ 0<br />
/ R<br />
0<br />
) = ⎨ 0 + ⎨ 0<br />
2 •<br />
2<br />
⎪mL<br />
⎪2mL<br />
⎪ ψ<br />
⎩<br />
⎪ ψ<br />
R 3 R ⎩ 3<br />
0<br />
0<br />
=<br />
•<br />
R<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨ 0<br />
•<br />
⎪ 2<br />
⎩mL<br />
ψ<br />
0<br />
−−→<br />
→<br />
0<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
333
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
3. Torseur dynamique du système au point O<br />
Les éléments du torseur dynamique sont :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
1<br />
(<br />
1 2 2 3<br />
G3<br />
0<br />
0<br />
0<br />
- la résultante dynamique : D = m γ G ) + m γ ( G ) + m γ ( )<br />
⎧<br />
••<br />
•<br />
2<br />
⎪−<br />
2L(<br />
m + M )( ψ sinψ<br />
+ ψ cosψ<br />
)<br />
→<br />
••<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
D=<br />
⎨ mL(<br />
ψ cosψ<br />
−ψ<br />
ssinψ<br />
)<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
- le moment dynamique du système :<br />
4. Energie cinétique du système.<br />
→<br />
0<br />
δ (<br />
∑<br />
/ R<br />
0<br />
d<br />
) =<br />
0<br />
→<br />
0<br />
σ (<br />
∑<br />
dt<br />
/ R<br />
⎧ 0<br />
) ⎪<br />
= ⎨ 0<br />
••<br />
⎪ 2<br />
R ⎩mL<br />
ψ<br />
L’énergie cinétique du système est égale à la somme des énergies cinétique de chaque solide<br />
par rapport au même repère.<br />
E<br />
∑<br />
0<br />
0<br />
0<br />
( / R0<br />
) = EC<br />
( S1<br />
/ R0<br />
) + EC<br />
( S2<br />
/ R0<br />
) EC<br />
( S3<br />
/ R0<br />
)<br />
0<br />
C<br />
+<br />
a) Energie cinétique du solide ( S 1<br />
)<br />
0<br />
0<br />
E<br />
0<br />
C<br />
( S<br />
1<br />
/ R<br />
0<br />
) =<br />
1<br />
2<br />
⎛<br />
m⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
( G1<br />
) ⎟<br />
⎠<br />
2<br />
+<br />
1<br />
2<br />
→<br />
0T<br />
Ω1<br />
. I<br />
G1<br />
( S ).<br />
1<br />
→<br />
0<br />
Ω1<br />
0<br />
E C<br />
2<br />
⎡0<br />
0 0⎤⎡0⎤<br />
•<br />
2<br />
•<br />
•<br />
• 2<br />
1 ⎛ L ⎞ 2 1 ⎢ ⎥⎢<br />
⎥ 1 ⎛ L ⎞ 2 1 2 mL<br />
( S1<br />
/ R0<br />
) = m⎜<br />
⎟ ψ + (0,0, ψ )<br />
⎢<br />
0 A 0<br />
⎥⎢<br />
0 = ⎜ ⎟ + =<br />
⎝ ⎠<br />
• ⎥<br />
m ψ Aψ<br />
ψ<br />
2 2 2<br />
2 ⎝ 2 ⎠ 2 6<br />
⎢⎣<br />
0 0 A⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
ψ ⎥⎦<br />
b) Energie cinétique du solide ( S 2<br />
)<br />
E<br />
0<br />
C<br />
0<br />
E C<br />
0<br />
E C<br />
0<br />
E C<br />
( S<br />
( S<br />
2<br />
2<br />
/ R<br />
0<br />
/ R<br />
0<br />
) =<br />
) =<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
⎛<br />
m⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
⎛ L<br />
m⎜<br />
⎝ 2<br />
( G<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
⎞<br />
) ⎟<br />
⎠<br />
2<br />
+<br />
1<br />
2<br />
→<br />
0T<br />
Ω<br />
2<br />
. I<br />
G2<br />
2<br />
2<br />
( 9sin + cos ψ )<br />
( S ).<br />
2<br />
→<br />
0<br />
Ω<br />
2<br />
⎡A<br />
0 0⎤⎡0⎤<br />
•<br />
•<br />
2 1<br />
ψ ψ + (0,0, θ )<br />
⎢ ⎥⎢<br />
⎥<br />
⎢<br />
0 0 0<br />
⎥⎢<br />
0<br />
2<br />
• ⎥<br />
⎢⎣<br />
0 0 A⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
θ ⎥⎦<br />
2<br />
•<br />
• 2<br />
•<br />
2 2 1 2 mL<br />
2 2<br />
( 1+<br />
8sin ψ ) ψ + Aθ<br />
= ( 1+<br />
8sin ψ ) ψ<br />
2<br />
mL<br />
mL<br />
( S<br />
2<br />
/ R0<br />
) =<br />
+ ψ<br />
8<br />
2 8<br />
24<br />
2 • •<br />
mL 2 2 2<br />
( S2<br />
/ R0<br />
) = ψ + ψ sin ψ = mL<br />
6<br />
2<br />
•<br />
2⎛<br />
1<br />
ψ ⎜ + sin<br />
⎝ 6<br />
2<br />
⎞<br />
ψ ⎟<br />
⎠<br />
•<br />
2<br />
•<br />
2<br />
334
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
b) Energie cinétique du solide (<br />
S 3<br />
)<br />
0<br />
E C<br />
( S<br />
3<br />
/ R<br />
0<br />
→<br />
•<br />
1 ⎛ 0 ⎞<br />
2 2<br />
) = m⎜V<br />
( B)<br />
⎟ = 2ML<br />
ψ sin<br />
2 ⎝ ⎠<br />
d) Energie cinétique du système :<br />
0<br />
E C<br />
0<br />
E C<br />
2<br />
2 •<br />
•<br />
•<br />
mL 2 2 2⎛<br />
1 2 ⎞ 2 2 2<br />
( S3<br />
/ R0<br />
) = ψ + mL ψ ⎜ + sin ψ ⎟ + 2ML<br />
ψ sin ψ<br />
6<br />
⎝ 6 ⎠<br />
2 •<br />
•<br />
mL 2<br />
2 2 2<br />
( S3<br />
/ R0<br />
) = ψ + ( m + 2M<br />
) L ψ sin ψ<br />
3<br />
2<br />
ψ<br />
=<br />
2 •<br />
•<br />
mL 2<br />
2 2 2<br />
ψ + ( m + 2M<br />
) L ψ sin ψ<br />
3<br />
Exercice 07 :<br />
Soit une plaque homogène (S) rectangulaire de largeur 2a, de longueur 2b et de centre de<br />
masse G. Elle est rotation à une vitesse angulaire fixe autour de l’un des ses point A dans le<br />
→ →<br />
(<br />
0 0<br />
→ → → →<br />
0<br />
≡<br />
1 2<br />
z3<br />
→ → → →<br />
1, 3 1<br />
y3<br />
plan x , y ) tel que z z ≡ z ≡ et ( x x ) = ( y , ) = ψ . Le point A se déplace sur<br />
→<br />
l’axe O,<br />
x ) tel que : OA x x et<br />
(<br />
0<br />
−−→ →<br />
=<br />
0<br />
de projection. Déterminer :<br />
−−→<br />
b<br />
→<br />
GA =<br />
3<br />
3 y<br />
→ → →<br />
. On prendra R1<br />
( O,<br />
x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
comme repère<br />
1. La vitesse de rotation instantanée de la plaque par rapport au repère R 0<br />
:<br />
2. Les vecteurs vitesse et accélération absolues du point G : V 0 ( G)<br />
et γ<br />
0 ( G)<br />
;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Ω 0 3<br />
3. Le moment cinétique de la plaque au point A ;<br />
4. Le moment dynamique de la plaque point A ;<br />
5. L’énergie cinétique de la plaque.<br />
On donne :<br />
⎡A<br />
0<br />
I =<br />
⎢<br />
G<br />
⎢<br />
0 A<br />
R<br />
⎢⎣<br />
0 0<br />
3<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
C⎥⎦<br />
2<br />
2<br />
mb m<br />
2<br />
A = , C = ( a + b )<br />
12 12<br />
→<br />
y 0<br />
O<br />
a<br />
x<br />
→<br />
y 2<br />
b<br />
G •<br />
A<br />
→<br />
y<br />
1<br />
ψ<br />
ψ<br />
→<br />
x<br />
→<br />
y<br />
3<br />
3<br />
→<br />
x<br />
2<br />
→ →<br />
x 0 ≡ x 1<br />
335
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
1. Vitesse de rotation instantanée de la plaque par rapport au repère R 0<br />
:<br />
→<br />
Ω 0 3<br />
→ → → → • →<br />
0 2 1 0<br />
Ω3 = Ω3<br />
+ Ω<br />
2<br />
+ Ω1<br />
= −ψ<br />
z1<br />
avec<br />
•<br />
ψ = Cte<br />
2. Vitesse et accélération absolues du point G : V 0 ( G)<br />
et γ<br />
0 ( G)<br />
;<br />
2.1. Vitesse absolue du point G :<br />
→<br />
→<br />
Par la cinématique du solide nous pouvons écrire :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
3<br />
−−→<br />
( G)<br />
= V ( A)<br />
+ Ω ∧ AG<br />
⎧x<br />
−−→<br />
⎪<br />
Nous avons : OA=<br />
⎨0<br />
,<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
1<br />
−−→<br />
b<br />
AG = − y<br />
3<br />
b<br />
→<br />
⎛<br />
= − ⎜cosψ<br />
y1+<br />
sinψ<br />
x<br />
3 ⎝<br />
⎧−<br />
( b / 3)sinψ<br />
⎞ ⎪<br />
⎟= ⎨−<br />
( b / 3)cos<br />
⎠ ⎪<br />
R ⎩ 0<br />
→<br />
→<br />
3 1<br />
ψ<br />
1<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
x<br />
→<br />
0<br />
( G)<br />
= ⎨0<br />
⎪0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
V<br />
+<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎧ 0 ⎧−<br />
( b / 3)sinψ<br />
⎪<br />
x − ( b / 3) ψ cosψ<br />
•<br />
⎪ ⎪<br />
⎨ 0 ∧ ⎨−<br />
( b / 3)cosψ<br />
= ⎨(<br />
b / 3) ψ sinψ<br />
•<br />
⎪ ⎪<br />
⎪<br />
R ⎩−ψ<br />
R ⎩ 0 0<br />
1<br />
1<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
2.2. Accélération absolue du point G :<br />
→<br />
0 0<br />
1 0 → →<br />
0 d V ( G)<br />
d V ( G)<br />
0 0<br />
Par dérivation nous pouvons écrire : γ ( G)<br />
= = + Ω1<br />
∧V<br />
( G)<br />
dt dt<br />
→<br />
0 d<br />
γ ( G)<br />
=<br />
1<br />
⎧••<br />
•<br />
b ⎛<br />
••<br />
2 ⎞<br />
⎪x−<br />
⎜ψ<br />
cosψ<br />
−ψ<br />
sinψ<br />
⎟<br />
⎪<br />
3<br />
→<br />
⎝<br />
⎠<br />
0<br />
•<br />
V ( G)<br />
⎪ b ⎛<br />
••<br />
2 ⎞<br />
= ⎨ ⎜ψ<br />
sinψ<br />
+ ψ cosψ<br />
⎟<br />
dt ⎪ 3 ⎝<br />
⎠<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
1<br />
3. Moment cinétique de la plaque au point A ;<br />
→<br />
0<br />
0<br />
σ ( S / R0 ) = I . Ω3<br />
+ AG ∧ mV ( G)<br />
A<br />
G<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
⎧ b<br />
•<br />
⎧ b<br />
•<br />
⎪<br />
− sinψ<br />
⎪ x−<br />
ψ cosψ<br />
⎡A<br />
0 0 ⎤⎡<br />
0 ⎤ 3<br />
3<br />
→<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎢ ⎥⎢<br />
⎥ b<br />
b<br />
•<br />
σ<br />
A<br />
( S / R0 ) =<br />
⎢<br />
0 A 0<br />
⎥⎢<br />
0<br />
⎥<br />
+ m ⎨−<br />
cosψ<br />
∧ ⎨ ψ sinψ<br />
•<br />
⎢ ⎥⎢<br />
⎥ ⎪ 3 ⎪ 3<br />
R ⎣0<br />
0 C⎦⎣−ψ<br />
⎦ ⎪ 0 ⎪0<br />
3<br />
R<br />
⎪⎩<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
336
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ ⎡ b<br />
b b ⎤<br />
σ<br />
A<br />
( S / R ⎢<br />
⎥ z<br />
⎣ 9<br />
3 ⎝ 3 ⎠⎦<br />
• 2 •<br />
• •<br />
→<br />
⎛ ⎞<br />
= − −<br />
2<br />
0<br />
) Cψ<br />
m ψ sin ψ + m cosψ<br />
⎜ x − ψ cosψ<br />
⎟ 1<br />
→ ⎡ b b ⎤<br />
σ<br />
A<br />
( S / R ⎢<br />
⎥ z<br />
⎣ 9 3 ⎦<br />
• 2 • •<br />
→<br />
0<br />
) = − Cψ<br />
− m ψ + m x cosψ<br />
1<br />
4. Moment dynamique de la plaque au point A ;<br />
→<br />
→<br />
0<br />
→<br />
→<br />
d σ<br />
A<br />
( S / R0<br />
) 0<br />
0<br />
δ<br />
A<br />
( S / R0 ) =<br />
+ V ( A)<br />
∧ mV ( G)<br />
dt<br />
d<br />
0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
1<br />
→<br />
A<br />
( ) d )<br />
→<br />
1<br />
0<br />
0 0<br />
d<br />
0<br />
)<br />
=<br />
+ Ω1<br />
∧ σ<br />
A<br />
( S / R0<br />
) =<br />
σ S / R<br />
dt<br />
σ<br />
A<br />
( S / R<br />
dt<br />
σ<br />
A<br />
( S / R<br />
dt<br />
d<br />
→<br />
0<br />
•• 2<br />
σ ( S / R ⎡<br />
•• ••<br />
• • ⎤ →<br />
0<br />
)<br />
b b b<br />
A = − Cψ<br />
− m ψ + m x cosψ<br />
− m xψ<br />
sin ψ z1<br />
dt<br />
⎢<br />
⎣<br />
9<br />
3<br />
3<br />
⎥<br />
⎦<br />
car<br />
→<br />
0<br />
1<br />
→<br />
Ω = 0<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( A)<br />
∧ mV<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
x<br />
→<br />
0<br />
( G)<br />
= ⎨0<br />
⎪0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
1<br />
∧<br />
•<br />
•<br />
⎧ ⎧<br />
⎪<br />
x − ( b / 3) ψ cosψ<br />
⎪<br />
0<br />
•<br />
m ⎨(<br />
b / 3) ψ sinψ<br />
= ⎨0<br />
• •<br />
⎪<br />
⎪ b<br />
0<br />
m xψ<br />
sinψ<br />
⎪<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
R ⎩ 3<br />
1<br />
1<br />
on déduit :<br />
→ ⎡ b b ⎤<br />
δ<br />
A<br />
( S / R0 ) ⎢<br />
cos ⎥ z<br />
⎣ 9 3 ⎦<br />
•• 2 •• ••<br />
→<br />
= − Cψ<br />
− m ψ + m x ψ<br />
1<br />
3. Energie cinétique de la plaque (S)<br />
E<br />
0<br />
C<br />
( S / R<br />
0<br />
) =<br />
1<br />
2<br />
⎛<br />
m⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
( G)<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
+<br />
1<br />
2<br />
→<br />
0T<br />
Ω3<br />
. I<br />
G<br />
→<br />
0<br />
3<br />
( S).<br />
Ω<br />
E<br />
0<br />
C<br />
0<br />
E C<br />
( S<br />
1<br />
/ R<br />
0<br />
)<br />
2<br />
2<br />
⎡A<br />
0 0⎤⎡<br />
0 ⎤<br />
1<br />
•<br />
⎛ b<br />
•<br />
⎞ 1 ⎛ b<br />
•<br />
⎞ 1<br />
•<br />
m<br />
+<br />
+ −<br />
⎢ ⎥⎢<br />
⎥<br />
⎜ x − ψ cosψ<br />
⎟ m⎜<br />
ψ sinψ<br />
⎟ (0,0, ψ )<br />
⎝<br />
⎠ ⎝ ⎠<br />
⎢<br />
0 A 0<br />
⎥⎢<br />
0<br />
2 3<br />
2 3<br />
2<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
0 0 C⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
−ψ<br />
⎥⎦<br />
=<br />
•<br />
• 2 •<br />
1 ⎛<br />
• •<br />
2 b 2 2b<br />
⎞ 1<br />
( S =<br />
⎜ + −<br />
⎟<br />
1<br />
/ R0<br />
) m x ψ xψ<br />
cosψ<br />
+ Cψ<br />
2 ⎝ 9 3 ⎠ 2<br />
•<br />
2<br />
337
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 08 :<br />
Soit un système constitué d’une tige filetée OA lié au repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R1<br />
( O,<br />
x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
. La tige de<br />
→ →<br />
•<br />
masse négligeable tourne autour de l’axe z 0 ≡ z 1<br />
avec une vitesse de rotation α = Cte .<br />
Un cylindre de masse m, de hauteur h et de centre d’inertie G, lié au repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R3<br />
( G,<br />
x3,<br />
y3,<br />
z3<br />
) s’enroule autour de cette tige et il a deux mouvements:<br />
- L’un, de translation de son centre d’inertie G, lié au repère R G,<br />
x , y , z ) , suivant<br />
→ →<br />
1<br />
≡ x 2<br />
l’axe de la tige x avec une vitesse linéaire x • (t)<br />
;<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
→<br />
•<br />
- L’autre, de rotation autour de l’axe x2<br />
avec une vitesse de rotation ψ = Cte et tel que<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
( y2 , y3<br />
) = ( z2<br />
, z3<br />
) = ψ<br />
On prendra<br />
R 2<br />
comme repère relatif et repère aussi de projection.<br />
Déterminer :<br />
1. Le tenseur d’inertie du cylindre au point G par rapport aux repères et R ;<br />
R3<br />
2<br />
2. La vitesse de rotation instantanée du cylindre par rapport au repère R 0<br />
;<br />
3. La vitesse et l’accélération du point M par composition de mouvement ;<br />
4. Les torseurs, cinétique et dynamique, au point O par rapport au repère R 0<br />
;<br />
5. L’énergie cinétique du système.<br />
→<br />
→<br />
z , z 0 1<br />
x(t)<br />
→<br />
z 2<br />
→<br />
z<br />
2<br />
ψ<br />
• M<br />
→<br />
z<br />
3<br />
→<br />
x 0<br />
O<br />
θ<br />
h<br />
G •<br />
M<br />
•<br />
•<br />
ψ<br />
A<br />
→<br />
y 0<br />
→ → →<br />
x1 , x2<br />
, x3<br />
G<br />
R<br />
ψ<br />
→<br />
y<br />
3<br />
→<br />
y<br />
2<br />
338
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
1. Tenseur d’inertie du cylindre au point G par rapport aux repères et R ;<br />
R3<br />
2<br />
Le tenseur d’inertie du cylindre dans le repère R 2<br />
est donné par :<br />
2<br />
⎡mR<br />
⎤<br />
⎢<br />
0<br />
0 ⎥<br />
⎢<br />
2<br />
⎥ ⎡A<br />
2 2<br />
⎢ mR mh<br />
I ⎥ =<br />
⎢<br />
G<br />
= 0 +<br />
0<br />
⎢<br />
⎥ ⎢<br />
0<br />
4 12<br />
⎢<br />
2 2<br />
mR mh ⎥ ⎢⎣<br />
0<br />
⎢ 0 0<br />
+ ⎥<br />
R ⎣<br />
4 12 ⎦<br />
3<br />
0<br />
B<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
B⎥⎦<br />
où<br />
2<br />
mR<br />
A = ;<br />
2<br />
2<br />
mR mh<br />
B = +<br />
4 12<br />
2<br />
2. Vitesse de rotation instantanée du cylindre par rapport au repère R 0<br />
;<br />
Le repère est en translation par rapport au repère R alors :<br />
R2<br />
1<br />
→<br />
1<br />
2<br />
→<br />
Ω = 0<br />
→<br />
0<br />
3<br />
Ω<br />
→<br />
2<br />
3<br />
= Ω<br />
→<br />
1<br />
2<br />
+ Ω<br />
→<br />
0<br />
1<br />
+ Ω<br />
•<br />
⎧ ⎪ − ψ<br />
• → • →<br />
= α z2<br />
−ψ<br />
x2<br />
= ⎨ 0<br />
•<br />
⎪ α<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
3. Vitesse et l’accélération du point M par composition de mouvement :<br />
3.1. Vitesse :<br />
⎧x<br />
−−→<br />
⎪<br />
Nous avons : OG=<br />
⎨0<br />
;<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
2<br />
⎧0<br />
−−→<br />
⎪<br />
GM = ⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩R<br />
3<br />
=<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨Rsinψ<br />
⎪<br />
R ⎩R<br />
cosψ<br />
La vitesse absolue est égale à la vitesse relative plus la vitesse d’entraînement.<br />
→<br />
0<br />
V<br />
→<br />
2<br />
( M ) = V<br />
→<br />
0<br />
2<br />
( M ) + V<br />
( M )<br />
2<br />
→<br />
2<br />
V<br />
( M ) =<br />
−−→<br />
2<br />
d GM<br />
=<br />
dt<br />
R<br />
2<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
•<br />
⎨ Rψ<br />
cosψ<br />
•<br />
⎪<br />
⎩−<br />
Rψ<br />
sinψ<br />
et<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
V2 ( M ) V ( G)<br />
→<br />
0<br />
2<br />
−−→<br />
= + Ω ∧ GM<br />
339
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( G)<br />
=<br />
−−→<br />
0<br />
d OG<br />
dt<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
−−→<br />
⎪<br />
x<br />
2<br />
→<br />
d OG<br />
−−→<br />
0<br />
+ Ω<br />
2<br />
∧ OG=<br />
⎨0+<br />
dt<br />
⎪0<br />
⎪⎩<br />
R2<br />
R<br />
2<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0∧<br />
•<br />
⎪<br />
⎩α<br />
R<br />
2<br />
⎧x<br />
⎪<br />
⎨0=<br />
⎪<br />
⎩0<br />
R<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
x<br />
•<br />
⎨xα<br />
⎪ 0<br />
⎪⎩<br />
2<br />
⎧0<br />
→ −−→<br />
0 ⎪<br />
Ω<br />
2<br />
∧ GM = ⎨0<br />
∧<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩α<br />
2<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨Rsinψ<br />
=<br />
⎪<br />
R ⎩R<br />
cosψ<br />
En faisant la somme des termes on obtient :<br />
• •<br />
⎧<br />
⎪<br />
x−<br />
Rα<br />
sinψ<br />
→<br />
• •<br />
0<br />
V ( M ) = ⎨ xα+<br />
Rψ<br />
cosψ<br />
•<br />
⎪<br />
⎪−<br />
Rψ<br />
sinψ<br />
R ⎩<br />
2<br />
2<br />
•<br />
⎧ ⎪ − Rα<br />
sinψ<br />
⎨ 0<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
3.2. Accélération :<br />
L’expression de l’accélération absolue par composition de mouvement s’écrit :<br />
→<br />
→<br />
0<br />
2<br />
0<br />
γ ( M ) = γ ( M ) + γ ( M ) + γ ( M )<br />
→<br />
2<br />
→<br />
C<br />
→<br />
2<br />
γ ( M ) =<br />
d<br />
2<br />
→ ⎧ 0<br />
2<br />
V M ⎪<br />
•<br />
( )<br />
2<br />
= ⎨−<br />
Rψ<br />
sinψ<br />
dt<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
R<br />
⎩−<br />
Rψ<br />
cosψ<br />
2<br />
→<br />
0<br />
2<br />
→<br />
→<br />
0 −−→ → → −−→<br />
0<br />
0 d Ω<br />
0 0<br />
γ<br />
2<br />
( M ) = γ<br />
2<br />
( G)<br />
+ ∧ GM + Ω<br />
2<br />
∧ Ω<br />
2<br />
∧ GM ; avec :<br />
dt<br />
→<br />
0<br />
2<br />
0<br />
d Ω<br />
dt<br />
→<br />
= 0<br />
••<br />
•<br />
⎧••<br />
•<br />
⎧<br />
⎧<br />
⎪ −<br />
2<br />
→<br />
→<br />
⎪<br />
x ⎧0<br />
⎪<br />
x x xα<br />
→<br />
0 0<br />
2 0 → →<br />
• •<br />
•<br />
• •<br />
0 d V ( G)<br />
d V ( G)<br />
0 0<br />
⎪<br />
γ<br />
2<br />
( G ) = = + Ω<br />
2<br />
∧V<br />
( G)<br />
= ⎨xα<br />
+ ⎨0∧<br />
⎨xα=<br />
⎨ 2 xα<br />
dt dt<br />
•<br />
⎪ 0 ⎪ ⎪ ⎪<br />
⎪ ⎩α<br />
0 0<br />
⎩<br />
R2<br />
R<br />
⎪⎩<br />
⎪<br />
2<br />
R2<br />
R ⎩<br />
2<br />
⎧0<br />
⎧0<br />
⎧ 0 ⎧ 0<br />
→ → −−→<br />
•<br />
0 0 ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ 2<br />
Ω<br />
2<br />
∧ Ω<br />
2<br />
∧ GM = ⎨0∧<br />
⎨0∧<br />
⎨Rsinψ<br />
= ⎨−<br />
Rα<br />
sinψ<br />
• •<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩α<br />
R ⎩α<br />
R ⎩R<br />
cosψ<br />
⎩<br />
0<br />
R<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
340
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
→ →<br />
⎛ 0<br />
γ<br />
C<br />
( M ) = 2⎜Ω<br />
2<br />
∧V<br />
⎝<br />
2<br />
⎞<br />
( M ) ⎟ = 2<br />
⎠<br />
R<br />
2<br />
⎧0<br />
⎪<br />
⎨0∧<br />
•<br />
⎪<br />
⎩α<br />
R<br />
2<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
•<br />
⎨ Rψ<br />
cosψ<br />
•<br />
⎪<br />
⎩−<br />
Rψ<br />
sinψ<br />
• •<br />
⎧ ⎪ − 2Rψ α cosψ<br />
= ⎨ 0<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
⎧ 0<br />
→<br />
⎪<br />
•<br />
0<br />
2<br />
γ ( M ) = ⎨−<br />
Rψ<br />
sinψ<br />
+<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
R<br />
⎩−<br />
Rψ<br />
cosψ<br />
2<br />
R<br />
⎧<br />
•• • • •<br />
2<br />
⎪ x−<br />
xα<br />
− 2Rψ α cosψ<br />
→<br />
• • •<br />
•<br />
0 ⎪<br />
2<br />
2<br />
γ ( M ) = ⎨ 2 xα−<br />
Rα<br />
sinψ<br />
− Rψ<br />
sinψ<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
⎪−<br />
Rψ<br />
cosψ<br />
R ⎩<br />
2<br />
2<br />
⎧••<br />
•<br />
⎪ −<br />
2<br />
x xα<br />
⎧ 0<br />
• •<br />
•<br />
⎪ 2<br />
⎨ 2 xα<br />
+ ⎨−<br />
Rα<br />
sinψ<br />
+<br />
⎪ 0 ⎪<br />
⎪ ⎩<br />
0<br />
⎩<br />
R2<br />
R<br />
2<br />
• •<br />
⎧ ⎪ − 2Rψ α cosψ<br />
⎨ 0<br />
⎪ 0<br />
⎪⎩<br />
4. Torseurs, cinétique et dynamique, au point O par rapport au repère R 0<br />
;<br />
4.1. Torseur cinétique<br />
Les deux éléments de réduction du torseur cinétique sont :<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
m x<br />
→ →<br />
•<br />
0<br />
- la résultante cinétique : P = mV ( G)<br />
= ⎨mxα<br />
;<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
- le moment cinétique : σ ( S / R ) = I . Ω + OG∧<br />
mV ( G)<br />
0<br />
G<br />
→<br />
2<br />
3<br />
−−→<br />
→<br />
⎡A<br />
→<br />
0<br />
σ ( S / R =<br />
⎢<br />
0<br />
)<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
B<br />
0<br />
•<br />
⎡ ⎤<br />
0⎤⎢<br />
− ψ<br />
⎥ ⎧x<br />
⎥<br />
⎪<br />
0<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
0 + ⎨0<br />
⎢<br />
•<br />
⎥<br />
B⎥<br />
⎪<br />
⎦⎢<br />
α ⎥ ⎩0<br />
⎣ ⎦<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
m x<br />
•<br />
∧ ⎨mxα<br />
=<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
− Aψ<br />
⎨ 0<br />
•<br />
⎪ Bα<br />
+ mx<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
•<br />
2<br />
α<br />
→<br />
0<br />
σ ( S / R ) =<br />
0<br />
R<br />
⎧<br />
2<br />
mR<br />
•<br />
⎪ − ψ<br />
⎪<br />
⎨ 0 2<br />
2 2<br />
⎪⎛<br />
mR mh<br />
⎪<br />
⎜ +<br />
⎩⎝<br />
4 3<br />
2<br />
+ mx<br />
⎞ •<br />
2<br />
⎟α<br />
⎠<br />
341
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
4.2. Torseur dynamique<br />
Les deux éléments de réduction du torseur dynamique sont :<br />
⎧<br />
•• •<br />
2<br />
⎪m(<br />
x−<br />
xα<br />
)<br />
→ →<br />
• •<br />
0 ⎪<br />
- la résultante dynamique : D = mγ<br />
( G)<br />
= ⎨ 2m xα<br />
;<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
2<br />
→<br />
0 0<br />
→<br />
→<br />
0 d σ ( S / R0<br />
) 0<br />
0<br />
- le moment dynamique : : δ ( S / R0<br />
) =<br />
+ V ( O)<br />
∧ mV ( G)<br />
or<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
→<br />
V 0 ( O)<br />
= 0<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
2 0<br />
→ →<br />
0 d σ ( S / R0<br />
) d σ ( S / R0<br />
) 0 0<br />
d’où : δ ( S / R0<br />
) = =<br />
+ Ω<br />
2<br />
∧ σ ( S / R0<br />
)<br />
dt<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
0<br />
δ ( S / R ) =<br />
0<br />
R<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨ 0<br />
• •<br />
⎪<br />
⎩2mx xα<br />
2<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
+ ⎨ 0 ∧<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩α<br />
2<br />
R<br />
⎧<br />
2<br />
mR<br />
•<br />
⎪ − ψ<br />
⎪<br />
⎨ 0 2<br />
2 2<br />
⎪⎛<br />
mR mh<br />
⎪<br />
⎜ +<br />
⎩⎝<br />
4 3<br />
2<br />
+ mx<br />
⎞ •<br />
2<br />
⎟α<br />
⎠<br />
→<br />
0<br />
δ ( S / R ) =<br />
0<br />
R<br />
⎧<br />
⎪<br />
0<br />
2<br />
mR<br />
• •<br />
⎨−<br />
ψ α<br />
⎪ 2<br />
• •<br />
⎪<br />
⎩ 2mx xα<br />
2<br />
5. Energie cinétique du système.<br />
E<br />
C<br />
→<br />
1<br />
= Ω<br />
2<br />
0<br />
3<br />
. I<br />
G<br />
→<br />
0<br />
3<br />
. Ω<br />
+<br />
1<br />
2<br />
⎛<br />
m⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
( G)<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
=<br />
⎡A<br />
1<br />
• •<br />
( −ψ<br />
,0, α)<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
2<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
B<br />
0<br />
•<br />
⎛ ⎞<br />
0⎤<br />
⎜ − ψ ⎟<br />
•<br />
⎥ ⎜ ⎟ 1 ⎛ 2 2<br />
0<br />
⎥<br />
0 + m⎜<br />
x + x α<br />
⎜ • ⎟ 2<br />
⎥<br />
⎝<br />
B⎦<br />
⎜ α ⎟<br />
R ⎝ ⎠<br />
2<br />
•<br />
2 ⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
E C<br />
=<br />
1<br />
2<br />
•<br />
2<br />
Aψ<br />
+<br />
1<br />
2<br />
•<br />
2<br />
Bα<br />
+<br />
1<br />
2<br />
•<br />
⎛ 2<br />
m⎜<br />
x<br />
⎝<br />
2<br />
+ x α<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
•<br />
2<br />
=<br />
1 ⎡mR<br />
⎢<br />
2 ⎣ 2<br />
2<br />
•<br />
2 ⎛ mR<br />
ψ +<br />
⎜<br />
⎝ 4<br />
2<br />
mh<br />
+<br />
3<br />
2 • •<br />
⎞<br />
2 ⎛ 2<br />
⎟α<br />
+ m⎜<br />
x<br />
⎠ ⎝<br />
+ x<br />
2<br />
•<br />
⎤<br />
2 ⎞<br />
α ⎟⎥<br />
⎠⎦<br />
342
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 09 :<br />
Une machine de ponçage des sols est composée d’un bras OAC de masse négligeable tel que<br />
OA=L, AC=L/2 et d’un disque de rayon R et de masse M . Le bras est en mouvement de<br />
•<br />
rotation par rapport au bâti fixe avec une vitesse de rotation ψ = Cte . Le disque tourne autour<br />
•<br />
du bras AC avec une vitesse de rotation θ = Cte On prendra R1<br />
comme repère de<br />
projection.<br />
Déterminer :<br />
1. Vitesse de rotation instantanée du disque<br />
2. Vitesse et accélération absolues du point C<br />
3. Le torseur cinétique du disque en O ;<br />
4. Le torseur dynamique du disque en O ;<br />
5. L’énergie cinétique du système.<br />
→<br />
x 0<br />
→<br />
→<br />
z , z 0 1<br />
O<br />
•<br />
ψ<br />
L<br />
L/2<br />
→<br />
z<br />
2<br />
A<br />
•<br />
θ<br />
→<br />
y<br />
0<br />
→<br />
→<br />
x 1<br />
, x 2<br />
R<br />
C<br />
Solution :<br />
1. Vitesse de rotation instantanée du disque par rapport au repère R 0<br />
:<br />
→<br />
0<br />
2<br />
Ω<br />
→<br />
1<br />
2<br />
= Ω<br />
→<br />
0<br />
1<br />
+ Ω<br />
⎧ 0<br />
• → • →<br />
⎪<br />
= ψ z<br />
2<br />
+ θ x2<br />
= ⎨ 0 où ψ • + •<br />
θ = Cte<br />
• •<br />
⎪<br />
R ⎩ψ<br />
+ θ<br />
1<br />
2. Vitesse et accélération du point C :<br />
2.1. Vitesse :<br />
⎧ L<br />
−−→ −−→ −−→<br />
→<br />
⎪<br />
Nous avons : OC = OA+<br />
AC=<br />
⎨ 0 ; V (<br />
⎪<br />
R ⎩−<br />
L / 2<br />
1<br />
0 O<br />
→<br />
) = 0<br />
⎧0<br />
⎧ L ⎧0<br />
→<br />
→<br />
→ −−→<br />
→<br />
•<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0 ⎪ ⎪ ⎪<br />
V ( C)<br />
= V ( O)<br />
+ Ω1<br />
∧ OC ⇒ V ( C)<br />
= ⎨0<br />
∧ ⎨ 0 = ⎨Lψ<br />
•<br />
⎪ψ<br />
⎪ / 2 ⎪<br />
R ⎩ ⎩L<br />
⎩0<br />
1<br />
R1<br />
R1<br />
343
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2.2. Accélération:<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
1 0<br />
→ →<br />
0 d V ( C)<br />
d V ( C)<br />
0 0<br />
γ ( C)<br />
= = + Ω1<br />
∧V<br />
( C)<br />
avec<br />
dt dt<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ −<br />
2<br />
⎧0<br />
⎧0<br />
Lψ<br />
→<br />
•<br />
0 ⎪ ⎪<br />
γ ( C ) = ⎨0<br />
∧ ⎨Lψ<br />
= ⎨ 0<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩ψ<br />
⎩0<br />
0<br />
1<br />
R1<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
1<br />
→<br />
1 0<br />
d V ( C)<br />
dt<br />
→<br />
= 0<br />
3. Le torseur cinétique du disque au point O :<br />
Les deux éléments de réduction du torseur cinétique sont :<br />
- la résultante cinétique :<br />
→<br />
0<br />
P<br />
→<br />
= mV<br />
⎧ 0<br />
→<br />
•<br />
0 ⎪<br />
( C)<br />
= ⎨MLψ<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
0<br />
0<br />
0<br />
- le moment cinétique : σ ( S / R ) = I . Ω + OC∧<br />
M V ( C)<br />
0<br />
C<br />
→<br />
2<br />
−−→<br />
→<br />
2<br />
⎡MR<br />
/ 4<br />
→<br />
0 ⎢<br />
σ ( S / R0<br />
) = ⎢ 0<br />
⎢<br />
R ⎣ 0<br />
2<br />
MR<br />
0<br />
2<br />
0<br />
/ 4<br />
0 ⎤⎡<br />
0 ⎤ ⎧ L<br />
⎥<br />
⎪<br />
0<br />
⎢ ⎥<br />
⎥⎢<br />
0<br />
⎥<br />
+ ⎨ 0<br />
• •<br />
2<br />
MR / 2⎥⎢<br />
⎥ ⎪<br />
⎦⎣ψ<br />
+ θ ⎦ R ⎩L<br />
/ 2<br />
1<br />
⎧ 0<br />
•<br />
⎪<br />
∧ ⎨MLψ<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
→<br />
0<br />
σ ( S / R ) =<br />
0<br />
⎧ ML<br />
⎪−<br />
⎪<br />
⎨ 0 2<br />
⎪ MR<br />
⎪<br />
R ⎩ 2<br />
1<br />
2 •<br />
ψ<br />
2 • •<br />
•<br />
2<br />
( ψ + θ ) + ML ψ<br />
4. Le torseur dynamique du disque au points O :<br />
Les deux éléments de réduction du torseur dynamique sont :<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ −<br />
2<br />
MLψ<br />
→ →<br />
0<br />
- la résultante cinétique : D = mγ<br />
( C)<br />
= ⎨ 0 ;<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
1<br />
→<br />
0 0<br />
1 0<br />
→ →<br />
0 d σ ( S / R0<br />
) d σ ( S / R0<br />
) 0 0<br />
- le moment dynamique : δ ( S / R0<br />
) = =<br />
+ Ω1<br />
∧ σ ( S / R0<br />
)<br />
dt<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
344
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
1 0<br />
( S / R0<br />
d σ<br />
dt<br />
)<br />
→<br />
= 0<br />
2<br />
⎧ ML<br />
•<br />
⎧0<br />
⎪−<br />
→<br />
→ →<br />
⎪ ⎪<br />
S R = Ω ∧ S R = ⎨ ∧ ⎨ 0 2 ψ<br />
0<br />
0 0<br />
δ ( /<br />
0<br />
)<br />
1<br />
σ ( /<br />
0<br />
) 0<br />
•<br />
2 • •<br />
⎪ ⎪MR<br />
2<br />
R ⎩ψ<br />
⎪ ( ψ + θ ) + ML ψ<br />
1<br />
R ⎩ 2<br />
1<br />
⎧ 0<br />
2<br />
⎪ ML<br />
= ⎨−<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩ 0 2<br />
1<br />
ψ<br />
•<br />
2<br />
5. Energie cinétique du système.<br />
E<br />
C<br />
1<br />
= Ω<br />
2<br />
1<br />
2<br />
→ →<br />
→<br />
0 0<br />
0<br />
2<br />
. I<br />
G.<br />
Ω<br />
2<br />
+ M ⎜V<br />
( C)<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
E C<br />
=<br />
1<br />
• •<br />
⎛<br />
⎜ψ<br />
+ θ , 0,<br />
2 ⎝<br />
2<br />
⎡MR<br />
/ 4<br />
⎞⎢<br />
0⎟<br />
⎠<br />
⎢ 0<br />
⎢<br />
⎣ 0<br />
MR<br />
0<br />
2<br />
0<br />
/ 4<br />
0 ⎤<br />
⎥<br />
0 ⎥<br />
2<br />
MR / 2⎥<br />
⎦ R<br />
2<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ 0 ⎟ +<br />
• •<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ψ<br />
+ θ ⎠<br />
1<br />
2<br />
2<br />
ML ψ<br />
•<br />
2<br />
E C<br />
=<br />
1 MR<br />
2 2<br />
2<br />
• •<br />
2<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ψ<br />
+ θ ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
+<br />
1<br />
2<br />
2<br />
ML ψ<br />
•<br />
2<br />
345
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 10 :<br />
Le système mécanique représenté ci dessous est constitué de six solides.<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
- S 0 : est un bâti fixe lié au repère R O,<br />
x , y , z )<br />
- S 1 , S 2 , S 3 , S 5 : sont des barres de masses négligeables reliées entres elles par des liaisons<br />
rotoïdes parfaites ayant leurs axes perpendiculaire au plan formé par les barres ; S 2 et S 3 :<br />
ont la même longueur OB=AB=2a<br />
- S 4 : est un volant de masse M de centre d’inertie G milieu de AB, relié à S 3 par une<br />
liaison rotoïde parfaite d’axe AB.<br />
Le tenseur d’inertie du solide S 4 en son centre d’inertie G dans les repères et R est<br />
R3<br />
4<br />
donné par :<br />
I G<br />
( S<br />
4<br />
)<br />
/ R , R<br />
3<br />
4<br />
⎡A<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
B<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
B⎥ ⎥⎥ ⎦ R , R<br />
3<br />
4<br />
S 1 : est lié au repère<br />
S 3 : est lié au repère<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
R O,<br />
x , y , z ) , S2 : est lié au repère R O,<br />
x , y , z ) ,<br />
→ → →<br />
3<br />
(<br />
3 3 3<br />
→ → →<br />
4<br />
(<br />
4 4 4<br />
R A,<br />
x , y , z ) , S4 : est lié au repère R G,<br />
x , y , z ) ,<br />
On applique un moment<br />
−→<br />
M sur le solide S 1 à l’aide d’un moteur électrique.<br />
Le point A se déplace sur l’axe<br />
suivant le même axe.<br />
Déterminer :<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
et la solide S5 a un mouvement de translation<br />
→<br />
→<br />
•<br />
•<br />
⎛<br />
1. La vitesse absolue V 0 0 ⎞<br />
2<br />
2<br />
( G)<br />
dans R 3<br />
et montrer que : ⎜V<br />
( G)<br />
⎟ = K1θ<br />
+ K<br />
2ψ<br />
;<br />
⎝ ⎠<br />
2. L’énergie cinétique du système ;<br />
3. La puissance des efforts sachant que: P R / S ) = 0 et P(<br />
R / S ) 0 ;<br />
(<br />
0 1<br />
0 5<br />
=<br />
4. Le moment cinétique du système en G dans le repère R 3<br />
;<br />
5. Le moment dynamique du système en G dans le repère R 3<br />
;<br />
On donne les figures planes suivantes :<br />
2<br />
346
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
S 1<br />
O<br />
→<br />
M<br />
θ<br />
•<br />
θ<br />
S 2<br />
→<br />
x<br />
2<br />
→<br />
x<br />
1<br />
→<br />
x 3<br />
→<br />
y 1<br />
ψ<br />
O<br />
→<br />
y 0<br />
ψ<br />
→<br />
x 1<br />
→<br />
x 0<br />
→<br />
x 2<br />
θ<br />
O<br />
→<br />
x<br />
1<br />
θ<br />
→<br />
z 2<br />
→<br />
z 1<br />
θ<br />
A •<br />
S 5<br />
θ<br />
1<br />
G<br />
→<br />
x 1<br />
S 3<br />
S 4<br />
→<br />
z<br />
3<br />
• B<br />
→<br />
z<br />
2<br />
→<br />
x 3<br />
θ 1<br />
A<br />
→<br />
x 1<br />
θ 1<br />
→<br />
z 3<br />
→<br />
z 1<br />
→<br />
z 4<br />
ϕ<br />
G<br />
→<br />
z<br />
3<br />
ϕ<br />
→<br />
y 4<br />
→<br />
y 3<br />
→<br />
→<br />
z<br />
0<br />
, z 1<br />
Solution :<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
S 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) lié au bâti fixe ;<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
S 1<br />
→ • → • →<br />
Ω1 0<br />
z1<br />
0<br />
R O,<br />
x , y , z ) lié à tel que : = ψ z = ψ ;<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
S 2<br />
→ • → • →<br />
Ω<br />
2 1<br />
y2<br />
→ • → • →<br />
1<br />
Ω3 = θ1<br />
y1<br />
= θ1<br />
y3<br />
1<br />
R O,<br />
x , y , z ) lié à tel que : = θ y = θ ;<br />
→ → →<br />
3<br />
(<br />
3 3 3<br />
S 3<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
→ →<br />
y 1 ≡ y 2<br />
→ →<br />
1<br />
≡ y 3<br />
R A,<br />
x , y , z ) lié à tel que : ; y et<br />
π<br />
θ1<br />
= −θ<br />
2<br />
→ → →<br />
4<br />
(<br />
4 4 4<br />
S 4<br />
→ • → • →<br />
Ω<br />
4 3<br />
x4<br />
3<br />
R G,<br />
x , y , z ) lié à tel que : = ϕ x = ϕ ;<br />
Le point A est en translation sur l’axe O,<br />
z )<br />
→<br />
1. Vitesse V 0 ( G)<br />
dans<br />
R 3<br />
→<br />
(<br />
0<br />
→ →<br />
x 3 ≡ x 4<br />
−−→<br />
0<br />
−−→<br />
3<br />
→<br />
→<br />
d OG d OG<br />
−−→<br />
−−→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
V ( G)<br />
= = + Ω3<br />
∧ OG ; exprimons les vecteurs OG et Ω<br />
3<br />
dans le repère R 3<br />
:<br />
dt dt<br />
−−→ −−→ −−→ → →<br />
π<br />
π<br />
Nous avons : OG = OB+<br />
BG = 2a z2<br />
− a x3<br />
et π = θ + + θ1<br />
⇒ θ1<br />
= −θ<br />
2<br />
2<br />
Ce qui donne : sin θ = cosθ<br />
et cosθ<br />
1<br />
= sinθ<br />
1<br />
A partir des figures planes, on peut écrire :<br />
→<br />
→<br />
z et dans le repère .<br />
1<br />
x 1<br />
R 3<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z2 = cosθ<br />
z1+<br />
sinθ<br />
x1<br />
puis on explicite<br />
347
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
→<br />
→<br />
z1 = −sinθ1<br />
x3<br />
+ cosθ1<br />
z3<br />
= − cosθ<br />
x3<br />
+ sinθ<br />
z3<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
x1 = cosθ<br />
1<br />
x3<br />
+ sinθ1<br />
z3<br />
= sinθ<br />
x3<br />
+ cosθ<br />
z3<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎛<br />
⎞ ⎛<br />
z2 = cosθ<br />
⎜−<br />
cosθ<br />
x3<br />
+ sinθ<br />
z3<br />
⎟ + sinθ<br />
⎜sinθ<br />
x3<br />
+ cosθ<br />
z<br />
⎝<br />
⎠ ⎝<br />
→<br />
→<br />
→<br />
2<br />
2<br />
2<br />
( sin θ − cosθ<br />
) x + 2sinθ<br />
cosθ<br />
z = ( 2sin θ −1)<br />
z2 =<br />
3<br />
3<br />
x3<br />
+ 2sinθ<br />
cosθ<br />
z3<br />
−−→ → →<br />
⎛ 2<br />
Nous avons ainsi : OG a z − a x = 2a<br />
( 2sin θ −1)<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
= 2<br />
2 3 ⎜<br />
x3<br />
+ 2sinθ<br />
cosθ<br />
z3<br />
⎟ − a x3<br />
⎝<br />
→<br />
3<br />
→<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
⎞<br />
⎠<br />
2<br />
⎧ 4asin<br />
θ − 3a<br />
−−→<br />
⎪<br />
OG=<br />
⎨ 0<br />
⎪<br />
⎩4asinθ<br />
cosθ<br />
R<br />
→<br />
0<br />
3<br />
Ω<br />
3<br />
• →<br />
= −θ<br />
y<br />
→<br />
0<br />
d’où : V<br />
3<br />
• →<br />
+ ψ z<br />
1<br />
→ → →<br />
0 1 0<br />
π<br />
; avec Ω = Ω3<br />
+ Ω1<br />
et comme : θ = − 2<br />
• → •<br />
→<br />
⎛<br />
= −θ<br />
y3<br />
+ ψ ⎜−<br />
cosθ<br />
x3<br />
+ sinθ<br />
z<br />
⎝<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
8aθ<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
( G)<br />
= ⎨ 0<br />
•<br />
⎪<br />
2<br />
2<br />
2aθ<br />
(cos θ − sin θ )<br />
R<br />
⎪⎩<br />
3<br />
3 1<br />
θ ⇒<br />
→<br />
3<br />
⎞<br />
⎟=<br />
⎠<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
−ψ<br />
cosθ<br />
•<br />
+ ⎨ −θ<br />
∧<br />
•<br />
⎪ ψ sinθ<br />
⎪ R3<br />
R ⎩<br />
3<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
−ψ<br />
cosθ<br />
•<br />
⎨ −θ<br />
•<br />
⎪ ψ sinθ<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
3<br />
2<br />
⎧ 4a<br />
sin θ − 3a<br />
⎪<br />
⎨ 0<br />
⎪<br />
⎩4a<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
• •<br />
θ 1 = −θ<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
8aθ<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
− 4aθ<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
→<br />
•<br />
0<br />
V ( G)<br />
= ⎨ψ<br />
sinθ<br />
•<br />
⎪<br />
⎪2aθ<br />
(cos<br />
R ⎩<br />
3<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
4aθ<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
→<br />
•<br />
0<br />
V ( G)<br />
= ⎨ aψ<br />
sinθ<br />
•<br />
⎪<br />
⎪−<br />
aθ<br />
R ⎩<br />
⎛<br />
⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
2<br />
3<br />
•<br />
2<br />
( 4asin<br />
θ − 3a) + ψ cosθ<br />
( 4a<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
)<br />
•<br />
2<br />
2<br />
2<br />
θ − sin θ ) + θ ( 4asin<br />
θ − 3a)<br />
2<br />
2<br />
•<br />
2<br />
⎞<br />
•<br />
•<br />
⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞<br />
( G)<br />
⎟ = ⎜2aθ<br />
sin 2θ<br />
⎟ + ⎜aψ<br />
sinθ<br />
⎟ + ⎜aθ<br />
⎟<br />
⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
→<br />
2<br />
•<br />
2<br />
•<br />
•<br />
•<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ ⎞<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
⎜V<br />
( G)<br />
⎟ = ⎜aθ<br />
⎟ ( 2sin 2θ<br />
+ 1)<br />
+ ( aψ<br />
sinθ<br />
) = K1θ<br />
+ K<br />
2ψ<br />
⎝<br />
⎠<br />
⎝<br />
⎠<br />
348
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2. Energie cinétique du système ;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
2<br />
1 0T<br />
0 1 ⎛ 0 ⎞<br />
EC<br />
= Ω<br />
4<br />
. I<br />
G<br />
( S<br />
4<br />
). Ω<br />
4<br />
+ M ⎜V<br />
( G)<br />
⎟<br />
2<br />
2 ⎝ ⎠<br />
•<br />
⎛ ⎞<br />
⎡A<br />
0 0⎤⎜−ψ<br />
cosθ<br />
⎟<br />
•<br />
•<br />
1<br />
•<br />
• •<br />
⎜<br />
•<br />
⎡<br />
⎤⎢<br />
⎥ ⎟ 1 ⎛ 2<br />
2<br />
E C<br />
=<br />
⎢<br />
−ψ<br />
cosθ<br />
, −θ<br />
, ψ sinθ<br />
⎥⎢<br />
0 B 0<br />
⎥⎜<br />
−θ<br />
⎟ + M ⎜ K1θ<br />
+ K<br />
2<br />
ψ<br />
2 ⎣<br />
⎦<br />
•<br />
⎢ ⎥⎜<br />
⎟<br />
2 ⎝<br />
⎣0<br />
0 B⎦<br />
ψ sinθ<br />
⎝ ⎠<br />
•<br />
• •<br />
•<br />
•<br />
1 ⎡ 2 2<br />
2 2 2 ⎤ 1 ⎛ 2<br />
2 ⎞<br />
E C<br />
= ⎢Aψ<br />
cos θ + Bθ<br />
+ Bψ<br />
sin θ ⎥ + M ⎜ K1θ<br />
+ K<br />
2<br />
ψ ⎟<br />
2 ⎣<br />
⎦ 2 ⎝<br />
⎠<br />
1<br />
( ) • ( ) •<br />
2<br />
2<br />
2 1<br />
2<br />
E C<br />
= Acos<br />
θ + Bsin<br />
θ + K<br />
2M<br />
ψ + B + MK1<br />
θ<br />
2<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
3. Puissance des efforts extérieurs, sachant que: P ( R0 / S1)<br />
= 0 et P(<br />
R0<br />
/ S5<br />
) = 0 ;<br />
Les liaisons sont sans frottement :<br />
⎧− M cosθ<br />
→ →<br />
→ →<br />
→<br />
→<br />
Nous avons : = • Ω<br />
0<br />
⎪<br />
P M<br />
4<br />
avec M = M z1<br />
= M ( −cosθ<br />
x3<br />
+ sinθ<br />
z3)<br />
= ⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩ M sinθ<br />
→<br />
0<br />
4<br />
Ω<br />
→<br />
3<br />
4<br />
= Ω<br />
→<br />
0<br />
3<br />
+ Ω<br />
• •<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ϕ−ψ<br />
cosθ<br />
⎟<br />
⎜<br />
•<br />
⎟<br />
= ⎜ −θ<br />
⎟<br />
•<br />
⎜ ⎟<br />
ψ sinθ<br />
⎝ ⎠<br />
• •<br />
⎛ ⎞<br />
⎛− M cosθ<br />
⎞ ⎜ϕ−ψ<br />
cosθ<br />
⎟<br />
→ →<br />
⎜ ⎟<br />
0<br />
⎜<br />
•<br />
⎟<br />
• •<br />
•<br />
⎛ ⎞<br />
P = M • Ω<br />
4<br />
= ⎜ 0 ⎟ • ⎜ −θ<br />
⎟ = − M cosθ<br />
⎜ϕ<br />
− ψ cosθ<br />
⎟ + M ψ sin<br />
•<br />
⎜<br />
⎝ ⎠<br />
sinθ<br />
⎟ ⎜<br />
⎝<br />
ψ sinθ<br />
⎟<br />
R M ⎠<br />
3<br />
⎝ ⎠<br />
• •<br />
P = M ψ − M ϕ cosθ<br />
4. Moment cinétique du système en G dans le repère R 3<br />
;<br />
→<br />
σ ( S)<br />
= I<br />
G<br />
G<br />
⎡A<br />
→<br />
0<br />
. Ω =<br />
⎢<br />
4<br />
⎢<br />
0<br />
R<br />
⎢⎣<br />
0<br />
3<br />
0<br />
B<br />
0<br />
• •<br />
⎛ ⎛ ⎞<br />
• •<br />
⎛ ⎞ ⎜ A⎜ϕ<br />
− ψ cosθ<br />
⎟<br />
0⎤<br />
⎜ϕ−ψ<br />
cosθ<br />
⎟ ⎜ ⎝ ⎠<br />
⎜<br />
•<br />
⎟<br />
•<br />
0<br />
⎥<br />
=<br />
⎜<br />
⎥ ⎜ −θ<br />
⎟ ⎜<br />
− Bθ<br />
•<br />
•<br />
B⎥<br />
⎜ ⎟<br />
⎦<br />
⎜<br />
ψ sinθ<br />
Bψ<br />
sinθ<br />
R ⎝ ⎠ ⎜<br />
3<br />
R ⎝<br />
3<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
3<br />
2<br />
θ<br />
349
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
5. Moment dynamique du système en G dans le repère R 3<br />
;<br />
→<br />
→<br />
0<br />
3<br />
→<br />
d σ<br />
G<br />
( S)<br />
d σ ( S)<br />
→<br />
G<br />
0<br />
δ<br />
G<br />
( S)<br />
= = + Ω3<br />
∧ σ<br />
G<br />
( S)<br />
dt dt<br />
•• ••<br />
• •<br />
⎛ ⎛<br />
⎞ ⎞<br />
⎜ A⎜ϕ<br />
−ψ<br />
cosθ<br />
+ ψ θ sinθ<br />
⎟<br />
•<br />
⎟ ⎛ ⎞<br />
⎜ ⎝<br />
⎠ ⎟ ⎜−ψ<br />
cosθ<br />
⎟<br />
→<br />
••<br />
⎜<br />
⎟ ⎜<br />
•<br />
⎟<br />
δ<br />
G<br />
( S)<br />
=<br />
⎜<br />
− Bθ<br />
⎟<br />
+ ⎜ −θ<br />
⎟<br />
••<br />
• •<br />
•<br />
⎜ ⎛<br />
⎞<br />
B⎜ψ<br />
sinθ<br />
+ ψ θ cosθ<br />
⎟ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎜<br />
⎟<br />
ψ sinθ<br />
⎝<br />
⎠ R ⎝ ⎠<br />
3<br />
R ⎝<br />
⎠<br />
3<br />
→<br />
• •<br />
⎛ ⎛ ⎞<br />
⎜ A⎜ϕ<br />
− ψ cosθ<br />
⎟<br />
⎜ ⎝ ⎠<br />
•<br />
∧<br />
⎜<br />
⎜<br />
− Bθ<br />
•<br />
⎜ Bψ<br />
sinθ<br />
⎜<br />
R ⎝<br />
3<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
•• ••<br />
• •<br />
⎛ ⎛<br />
⎞<br />
⎜ A⎜ϕ<br />
−ψ<br />
cosθ<br />
+ ψ θ sinθ<br />
⎟<br />
⎜ ⎝<br />
⎠<br />
→<br />
•• •<br />
• • •<br />
⎜<br />
⎛ ⎞<br />
⎜ − −<br />
2<br />
δ<br />
G<br />
( S)<br />
= Bθ<br />
Bψ<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
+ Aψ<br />
sinθ<br />
⎜ϕ<br />
− ψ cosθ<br />
⎟<br />
⎜<br />
⎝ ⎠<br />
••<br />
• •<br />
• •<br />
• • •<br />
⎜ ⎛<br />
⎞<br />
⎛ ⎞<br />
B⎜ψ<br />
sinθ<br />
+ ψ θ cosθ<br />
⎟ + Bθ ψ cosθ<br />
+ Aθ<br />
⎜ϕ<br />
− ψ cosθ<br />
⎟<br />
R ⎝ ⎝<br />
⎠<br />
⎝ ⎠<br />
3<br />
•• ••<br />
• •<br />
⎛ ⎛<br />
⎞<br />
⎞<br />
⎜ A⎜ϕ<br />
−ψ<br />
cosθ<br />
+ ψ θ sinθ<br />
⎟ ⎟<br />
⎜ ⎝<br />
⎠ ⎟<br />
→<br />
•• •<br />
• • •<br />
⎜<br />
⎛ ⎞⎟<br />
⎜ − −<br />
2<br />
δ<br />
G<br />
( S)<br />
= Bθ<br />
Bψ<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
+ Aψ<br />
sinθ<br />
⎜ϕ<br />
− ψ cosθ<br />
⎟⎟<br />
⎜<br />
⎝ ⎠<br />
⎟<br />
••<br />
• •<br />
• • •<br />
⎜<br />
⎛ ⎞ ⎟<br />
Bψ<br />
sinθ<br />
+ 2Bθ ψ cosθ<br />
+ Aθ<br />
⎜ϕ<br />
− ψ cosθ<br />
⎟<br />
R ⎝<br />
⎝ ⎠ ⎠<br />
3<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
Exercice 11 :<br />
Le système mécanique représenté ci dessous est constitué de quatre solides.<br />
→<br />
→<br />
- S 0 : est un bâti fixe lié au repère R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
- S 1 : est un cadre relié au bâti fixe par une liaison sphérique parfaite au point O. Il est lié<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
au repère R O,<br />
x , y , z ) et en mouvement de rotation autour de z 0<br />
z tel que :<br />
→<br />
→ →<br />
≡<br />
1<br />
→ → → →<br />
•<br />
( x0 , x1<br />
) ≡ ( y0<br />
, y1)<br />
= ψ et ψ = Cte<br />
- S 2 : est une tige mince et homogène, de masse m 1 , de longueur AB=2L , liée au cadre par<br />
→ →<br />
deux liaisons rotoïdes d’axe x 2<br />
, x 3<br />
- S 3 : est une plaque homogène rectangulaire, de masse m 2 de dimensions 2a x 2b , soudée à<br />
2<br />
la tige en son centre d’inertie O 2 , tel que O2 C = L et perpendiculaire à la tige AB . la<br />
3<br />
→ →<br />
plaque est animée d’un mouvement de rotation autour de l’axe x 2 ≡ x 3<br />
à une vitesse de<br />
•<br />
rotation θ = Cte . On donne : OC = AC = CB = L .<br />
350
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le tenseur d’inertie de la plaque en son centre d’inertie O 2 dans le repère R 3<br />
est donné par :<br />
⎡A<br />
0 0 ⎤<br />
⎢ ⎥<br />
m2<br />
2 2<br />
I<br />
O<br />
( S3 )<br />
/ R<br />
=<br />
⎢<br />
0 B 0<br />
⎥<br />
avec A = ( a + b ) ,<br />
2 3<br />
3<br />
R<br />
⎢⎣<br />
0 0 C⎥⎦<br />
3<br />
2<br />
m 2<br />
b<br />
B = ,<br />
3<br />
2<br />
m 2<br />
a<br />
C =<br />
3<br />
Déterminer :<br />
1. Le vecteur rotation instantané du repère par rapport à et exprimé dans R ;<br />
R3<br />
R0<br />
0<br />
R0<br />
2<br />
R0<br />
R2<br />
R1<br />
R2<br />
2. La vitesse du point M par rapport à et exprimé dans R ;<br />
3. L’accélération du point O 2 par rapport à et exprimé dans ;<br />
4. La vitesse du point N par rapport à et exprimé dans , sachant que :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
1<br />
V ( M ) = α(<br />
t)<br />
x2<br />
+ β ( t)<br />
y2<br />
;<br />
5. Le moment cinétique de la tige AB au point O par rapport à et exprimé dans R ;<br />
R0<br />
1<br />
R2<br />
R2<br />
6. Le moment cinétique de la plaque au point O 2 par rapport à et exprimé dans ;<br />
7. L’énergie cinétique du système.<br />
A<br />
•<br />
θ<br />
→<br />
→<br />
z , z 0 1<br />
C<br />
→<br />
z 2<br />
→<br />
z 3<br />
→<br />
z<br />
2<br />
S 0<br />
S 3<br />
S 2<br />
O 2<br />
S 1<br />
O<br />
→<br />
B<br />
→<br />
y 0<br />
→<br />
→<br />
x 2 , x 3<br />
2b<br />
θ<br />
O 2<br />
2a<br />
M<br />
•<br />
N<br />
•<br />
→<br />
y 3<br />
→<br />
y 2<br />
→<br />
x<br />
0<br />
ψ<br />
x 1<br />
Solution :<br />
1. Vecteur rotation instantané du repère par rapport à et exprimé dans R ;<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
S 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) lié au bâti fixe ;<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
S 1<br />
→ • → • →<br />
Ω1 0<br />
z1<br />
0<br />
R O,<br />
x , y , z ) lié à tel que : = ψ z = ψ ;<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2 2<br />
S 2<br />
1<br />
R O , x , y , z ) lié à tel que : Ω = 0 ; x 2<br />
x ,<br />
→<br />
2<br />
→<br />
R3<br />
R0<br />
0<br />
→ →<br />
≡<br />
1<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
→ →<br />
z 2 ≡ z 1<br />
→ → →<br />
3<br />
(<br />
2 3 3 3<br />
1<br />
R O , x , y , z ) lié à tel que : = θ x = θ ;<br />
S 3<br />
→ • → • →<br />
Ω3 2<br />
x3<br />
→ →<br />
≡<br />
3<br />
x 2<br />
x<br />
351
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2<br />
OC = AC = CB = L ; O2 C = L<br />
3<br />
→<br />
→<br />
→<br />
• →<br />
• →<br />
0 2 1 0<br />
Nous avons : Ω3 = Ω3<br />
+ Ω<br />
2<br />
+ Ω1<br />
= θ x1<br />
+ 0+<br />
ψ z0<br />
avec :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
x1 = cosψ<br />
x0<br />
+ sinψ<br />
y0<br />
→<br />
0<br />
3<br />
Ω<br />
•<br />
→<br />
⎛<br />
= θ ⎜cosψ<br />
x0<br />
+ sinψ<br />
y<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
•<br />
⎞<br />
⎟ + ψ z<br />
⎠<br />
→<br />
0<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
θ cosψ<br />
•<br />
= ⎨θ<br />
sinψ<br />
•<br />
⎪<br />
⎪ψ<br />
R ⎩<br />
0<br />
2. Vitesse du point M par rapport à et exprimé dans R ;<br />
R0<br />
2<br />
−−→<br />
OM<br />
−−→ −−→ −−→ →<br />
2<br />
→ → →<br />
2<br />
→<br />
→<br />
⎛<br />
= OC+<br />
CO2 + O2M<br />
= L z2<br />
+ L x2<br />
+ a y3<br />
= L z2<br />
+ L x2<br />
+ a⎜cosθ<br />
y2<br />
+ sinθ<br />
z<br />
3<br />
3 ⎝<br />
→<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎧ 2<br />
⎪ L<br />
−−→<br />
3<br />
OM = ⎨ a cosθ<br />
; et<br />
⎪L<br />
+ asinθ<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
2<br />
→<br />
0<br />
V<br />
−−→<br />
−−→<br />
0<br />
2<br />
→<br />
d OM d OM<br />
−−→<br />
0<br />
M ) = = + Ω<br />
2<br />
∧ OM<br />
dt dt<br />
→<br />
0<br />
V<br />
M ) =<br />
R<br />
2<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨−<br />
⎪<br />
⎩<br />
0<br />
•<br />
aθ<br />
•<br />
aθ<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
+ ⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩ψ<br />
0<br />
∧<br />
•<br />
⎧ 2<br />
⎪ L<br />
3<br />
⎨ a cosθ<br />
⎪L<br />
+ asinθ<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
2<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
− aψ<br />
cosθ<br />
•<br />
⎨−<br />
aθ<br />
sinθ<br />
+<br />
⎪<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩ aθ<br />
cosθ<br />
2<br />
2<br />
3<br />
•<br />
Lψ<br />
3. Accélération du point O 2 par rapport à et exprimé dans R ;<br />
R0<br />
2<br />
⎧2<br />
⎪ L<br />
−−→ −−→ −−→ →<br />
2<br />
→<br />
OO = OC+<br />
CO = L z + Lx<br />
3 2 2 2 ⎨ 0<br />
3 ⎪ L<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
2<br />
;<br />
2<br />
→<br />
0<br />
V<br />
−−→<br />
−−→<br />
0<br />
2<br />
→<br />
d OO<br />
−−→<br />
2<br />
d OO2<br />
0<br />
= = + Ω<br />
2<br />
∧<br />
2<br />
( O2<br />
)<br />
OO<br />
dt dt<br />
→<br />
0<br />
2<br />
→ −−→<br />
0<br />
= Ω<br />
2<br />
∧<br />
2<br />
V ( O ) OO car<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( O<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
) = ⎨ 0 ∧<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩ψ<br />
2<br />
0<br />
2<br />
d<br />
2<br />
⎧2<br />
⎪ L<br />
3<br />
⎨ 0 =<br />
⎪ L<br />
⎪ R<br />
R ⎩<br />
−−→<br />
OO<br />
dt<br />
2<br />
→<br />
= 0<br />
⎧<br />
⎪2 0<br />
•<br />
⎨ Lψ<br />
⎪3<br />
⎩ 0<br />
0<br />
352
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
L’accélération se déduit par dérivation :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
2 0<br />
→ →<br />
0 d V ( O2<br />
) d V ( O2<br />
) 0 0<br />
γ ( O2<br />
) = = + Ω<br />
2<br />
∧V<br />
( O2<br />
) avec :<br />
dt dt<br />
d<br />
2<br />
→<br />
0<br />
( O2<br />
V<br />
dt<br />
)<br />
→<br />
= 0<br />
car<br />
•<br />
ψ = Cte<br />
d’où :<br />
→<br />
0<br />
γ ( O<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
) = ⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩ψ<br />
2<br />
0<br />
∧<br />
•<br />
⎧<br />
⎪2 0<br />
⎨ Lψ<br />
⎪3<br />
R ⎩ 0<br />
0<br />
•<br />
=<br />
⎧ 2<br />
⎪ − Lψ<br />
⎪ 3<br />
⎨ 0<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
•<br />
2<br />
→<br />
4. Vitesse V 0 ( N)<br />
dans R , sachant que : V<br />
Nous avons par la cinématique du solide : V<br />
−−→<br />
=<br />
MN<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨ 0 =<br />
⎪<br />
R ⎩−<br />
b R<br />
3<br />
2<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨ bsinθ<br />
⎪<br />
⎩−<br />
bcosθ<br />
2<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
→<br />
→<br />
( M ) = α(<br />
t)<br />
x2<br />
+ β ( t)<br />
y2<br />
→<br />
1<br />
→<br />
1<br />
3<br />
−−→<br />
( N)<br />
= V ( M ) + Ω ∧ MN<br />
→<br />
1<br />
V<br />
→<br />
( N)<br />
= α ( t)<br />
x<br />
2<br />
→<br />
+ β ( t)<br />
y<br />
2<br />
⎧0<br />
⎪<br />
+ ⎨0∧<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩θ<br />
R<br />
2<br />
2<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨−<br />
⎪<br />
⎩<br />
0<br />
bsinθ<br />
bcosθ<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
α(<br />
t)<br />
+ bθ<br />
sinθ<br />
⎨β<br />
( t)<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
2<br />
5. Moment cinétique de la tige AB au point O par rapport à et exprimé dans R ;<br />
R0<br />
1<br />
→<br />
→ −→ →<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
( O)<br />
= σ ( C)<br />
+ OC∧<br />
m1<br />
V ( C)<br />
= σ ( C)<br />
= I<br />
C<br />
σ . Ω car : V 0 ( C)<br />
= 0 et<br />
→<br />
0<br />
2<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0<br />
2<br />
Ω<br />
→<br />
0<br />
1<br />
= Ω<br />
⎡<br />
⎤<br />
⎢0<br />
0 0 ⎥<br />
⎡ ⎤<br />
⎡ ⎤<br />
→<br />
⎢<br />
⎥<br />
0 ⎢ 0 ⎥<br />
0<br />
m L<br />
m L m L<br />
σ ( O)<br />
z<br />
→<br />
2<br />
2 • → 2 • →<br />
0<br />
1<br />
⎢ ⎥ ⎢ ⎥ 1<br />
1<br />
= I ⎢<br />
⎥<br />
C<br />
. Ω1<br />
= 0 0<br />
⎢<br />
0 =<br />
= =<br />
⎢<br />
⎥<br />
• ⎥<br />
0 ψ z2<br />
ψ<br />
1<br />
3<br />
⎢ 2 • ⎥<br />
2<br />
⎢<br />
⎥ ⎢⎣<br />
⎥ m 3 3<br />
1L<br />
m ⎦ ⎢ ⎥<br />
1L<br />
R ψ<br />
ψ<br />
2<br />
⎢0<br />
0 ⎥ R ⎣ 3 ⎦<br />
2<br />
R ⎣<br />
3 ⎦<br />
2<br />
6. Moment cinétique de la plaque au point O 2 par rapport à et exprimé dans R ;<br />
→<br />
0<br />
( O2<br />
) = I<br />
O2<br />
σ<br />
→<br />
2<br />
3<br />
. Ω<br />
R2<br />
2<br />
353
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
354<br />
A.KADI<br />
b<br />
a<br />
m<br />
R<br />
R<br />
a<br />
m<br />
m b<br />
b<br />
a<br />
m<br />
R<br />
O<br />
2<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡<br />
+<br />
=<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡<br />
+<br />
=<br />
•<br />
•<br />
→<br />
0<br />
0<br />
(<br />
3<br />
0<br />
0<br />
3<br />
0<br />
0<br />
0<br />
3<br />
0<br />
0<br />
0<br />
(<br />
3<br />
)<br />
(<br />
2)<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2)<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
θ<br />
θ<br />
σ<br />
→<br />
•<br />
→<br />
+<br />
= 2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
)<br />
(<br />
3<br />
)<br />
( z<br />
b<br />
a<br />
m<br />
O<br />
θ<br />
σ<br />
8. Energie cinétique du système.<br />
)<br />
(<br />
)<br />
(<br />
)<br />
( 3<br />
2 S<br />
E<br />
S<br />
E<br />
Système<br />
E<br />
C<br />
C<br />
C +<br />
=<br />
C<br />
T<br />
C<br />
S<br />
I<br />
C<br />
V<br />
m<br />
S<br />
E<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Ω<br />
Ω<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
=<br />
0<br />
1<br />
3<br />
0<br />
1<br />
2<br />
0<br />
1<br />
2<br />
2<br />
1<br />
).<br />
(<br />
.<br />
2<br />
1<br />
)<br />
(<br />
2<br />
1<br />
)<br />
(<br />
•<br />
•<br />
•<br />
=<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡<br />
=<br />
2<br />
2<br />
1<br />
2<br />
2<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
2<br />
6<br />
0<br />
0<br />
3<br />
0<br />
0<br />
0<br />
3<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
).<br />
(0,0,<br />
2<br />
1<br />
)<br />
( ψ<br />
ψ<br />
ψ<br />
m L<br />
R<br />
m L<br />
m L<br />
R<br />
S<br />
E C<br />
C<br />
T<br />
C<br />
S<br />
I<br />
O<br />
V<br />
m<br />
S<br />
E<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Ω<br />
Ω<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
=<br />
0<br />
3<br />
3<br />
0<br />
3<br />
2<br />
2<br />
0<br />
2<br />
3<br />
2<br />
1<br />
).<br />
(<br />
.<br />
2<br />
1<br />
)<br />
(<br />
2<br />
1<br />
)<br />
(<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎡<br />
+<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
=<br />
•<br />
•<br />
•<br />
0<br />
0<br />
3<br />
0<br />
0<br />
0<br />
3<br />
0<br />
0<br />
0<br />
(<br />
3<br />
,0,0)<br />
(<br />
2<br />
1<br />
3<br />
2<br />
2<br />
1<br />
)<br />
(<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2)<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
3<br />
θ<br />
θ<br />
ψ<br />
R<br />
a<br />
m<br />
m b<br />
b<br />
a<br />
m<br />
R<br />
L<br />
m<br />
S<br />
E<br />
2<br />
C<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
+<br />
+<br />
=<br />
+<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
=<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
3 )<br />
(<br />
6<br />
9<br />
2<br />
)<br />
(<br />
3<br />
2<br />
1<br />
3<br />
2<br />
2<br />
1<br />
)<br />
( θ<br />
ψ<br />
θ<br />
ψ<br />
b<br />
a<br />
m<br />
L<br />
m<br />
b<br />
a<br />
m<br />
L<br />
m<br />
S<br />
E<br />
2<br />
C<br />
•<br />
•<br />
•<br />
+<br />
+<br />
+<br />
=<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
1<br />
)<br />
(<br />
6<br />
9<br />
2<br />
6<br />
)<br />
( θ<br />
ψ<br />
ψ<br />
b<br />
a<br />
m<br />
L<br />
m<br />
m L<br />
Système<br />
E C<br />
•<br />
•<br />
+<br />
+<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎝<br />
⎛<br />
+<br />
=<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
1<br />
)<br />
(<br />
6<br />
9<br />
2<br />
6<br />
)<br />
( θ<br />
ψ<br />
b<br />
a<br />
m<br />
L<br />
m<br />
m<br />
Système<br />
E C
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CHAPITRE IX<br />
THEOREMES FONDAMENTAUX DE LA DYNAMIQUE<br />
354
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
THEOREMES FONDAMENTAUX DE LA DYNAMIQUE<br />
1. Objectif de la dynamique<br />
La dynamique permet d’analyser les liens existant entre les mouvements déjà décrits par la<br />
cinématique et les forces où actions qui leurs ont donné naissance.<br />
Elle permet d’examiner le concept de force et d’une manière globale le concept d’efforts<br />
exercés sur un système matériel quelconque. Pour toutes ces raisons, nous sommes amenés à<br />
introduire la notion de torseur des efforts extérieurs, nécessaire à l’écriture du principe<br />
fondamental de la dynamique.<br />
2. Notions de référentiels<br />
A partir du principe de l’action et de la réaction et du principe fondamental de la dynamique,<br />
nous pouvons établir les théorèmes généraux de la dynamique dans un référentiel Galiléen ou<br />
non Galiléen.<br />
En effet, un référentiel est dit Galiléen ou (absolu) si les lois de Newton exprimées dans celuici<br />
sont valables. Tout repère en mouvement de translation uniforme par rapport à un repère<br />
Galiléen est lui aussi Galiléen, car les accélérations constatées à partir d’un même point seront<br />
les même dans les deux repères.<br />
3. Expression de la loi fondamentale de la dynamique<br />
Soit un système matériel (S) non isolé et soumis à des interactions dans un repère Galiléen<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
) . Pour ce système matériel on distingue deux types d’actions :<br />
- Les actions mécaniques intérieures, résultant des actions d’une partie de (S) sur une autre<br />
→<br />
partie de (S) ; ces actions sont appelées forces intérieures et notées : d F i<br />
;<br />
- Les actions mécaniques extérieures résultant des actions du reste de l’univers (le milieu<br />
→<br />
extérieur) sur (S) , ces actions sont appelées forces extérieures et notées : d F e<br />
.<br />
Il faut choisir convenablement les conditions aux limites du système pour pouvoir classer les<br />
actions (forces) intérieures et extérieures.<br />
355
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
En un point quelconque M du système (S) , la relation fondamentale de la dynamique<br />
s’écrit :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
(<br />
d Fi + d Fe<br />
= γ M ) dm<br />
dm : élément de masse au voisinage du point M ;<br />
→<br />
γ (M ) : accélération du point M .<br />
→<br />
z<br />
→<br />
d F e<br />
M<br />
dm<br />
→<br />
d F i<br />
En sommant sur l’ensemble du système matériel, nous avons :<br />
∫<br />
S<br />
→<br />
∫<br />
→<br />
∫<br />
→<br />
d F + d F = γ ( M ) dm<br />
i<br />
S<br />
e<br />
S<br />
→<br />
x<br />
o<br />
→<br />
y<br />
En un point A quelconque de l’espace les moments, de ces forces, sont donnés par :<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
∫<br />
−−→<br />
→<br />
∫<br />
−−→<br />
AP ∧ d F + AP∧<br />
d F = AP∧<br />
γ ( M ) dm<br />
i<br />
S<br />
Nous supposons que le système matériel (S) n’échange pas de matière avec d’autres<br />
systèmes et que sa masse totale est constante.<br />
Les actions mécaniques extérieures qui s’exercent sur (S) sont représentées par un torseur<br />
[ τ Fext<br />
] A<br />
: appelé torseur des forces extérieures dont les éléments de réduction au point A<br />
e<br />
S<br />
→<br />
sont : [ τ ]<br />
Fext<br />
A<br />
⎧<br />
⎪ F<br />
⎨ −<br />
⎪⎩ M<br />
→<br />
ext<br />
=<br />
→<br />
Aext<br />
→<br />
F : est la résultante des forces extérieures s’exerçant sur le système (S)<br />
ext<br />
M − → Aext<br />
: est le moment au point A des forces extérieures s’exerçant sur le système (S).<br />
Le principe fondamental de la dynamique montre que dans tout référentiel Galiléen, le<br />
torseur dynamique [ D] du système (S) est égal au torseur des forces extérieures [ τ ]<br />
calculé au même point A .<br />
A<br />
Les éléments de réduction du torseur dynamique [ D du système (S) dans le repère Galiléen<br />
] A<br />
Fext<br />
A<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
sont : [ D]<br />
A<br />
⎪⎧<br />
D<br />
⎨<br />
⎪⎩ δ<br />
A<br />
= →<br />
→<br />
→<br />
→<br />
δ A<br />
D : la résultante dynamique ; : le moment dynamique au point A.<br />
356
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
L’égalité des deux torseurs induit l’égalité de leurs éléments de réduction. Ce principe<br />
équivaut à la généralisation des lois de Newton. Les éléments des deux torseurs peuvent être<br />
calculés séparément et ensuite faire l’égalité des expressions obtenues.<br />
Le point A par rapport auquel on calcul les moments est un point quelconque, il faut faire un<br />
choix judicieux pour faciliter l’écriture des équations. Souvent dans les problèmes de<br />
mécanique, on choisi le centre de masse du système car le moment d’inertie intervenant dans<br />
les calculs est plus facile à déterminer.<br />
3.1. Théorème de la résultante dynamique<br />
Soit un système matériel (S) en mouvement dans un repère Galiléen<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
et soumis à des actions extérieures. La résultante dynamique du système matériel (S) est<br />
égale à la résultante des actions (forces) mécaniques extérieures.<br />
→<br />
→<br />
0<br />
D( S / R = = ∑ →<br />
0<br />
) mγ<br />
( G / R0<br />
) Fext<br />
G : est le centre de masse du système.<br />
La résultante des forces extérieures est égale à la masse du système par l’accélération de son<br />
centre d’inertie.<br />
3.2. Théorème du moment dynamique<br />
Soit un système matériel (S) en mouvement dans un repère Galiléen<br />
et soumis à des actions extérieures. Le moment dynamique du système matériel (S) en un<br />
point A quelconque est égale au moment des actions (forces) mécaniques extérieures au<br />
même point A.<br />
→<br />
−→<br />
δ<br />
A<br />
( S / R0 ) = M<br />
A<br />
( S / R0<br />
)<br />
Au centre d’inertie du système cette égalité s’écrirait :<br />
→<br />
δ ( S / R ) = M<br />
G<br />
0<br />
−→<br />
G<br />
→<br />
d σ<br />
G<br />
( S / R0<br />
)<br />
( S / R0<br />
) =<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
Comme nous l’avons déjà montré précédemment, le moment cinétique au point G centre<br />
d’inertie du système est indépendant du repère dans lequel il est mesuré, alors il est souvent<br />
plus simple d’effectuer le calcul des moments dynamiques au centre d’inertie des systèmes.<br />
357
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A.KADI<br />
Remarque :<br />
Le moment dynamique d’un système composé est égal à la somme des moments dynamiques<br />
des éléments qui le compose par rapport au même point.<br />
3.3. Equations scalaires déduites du principe fondamental<br />
Les équations vectorielles de la résultante et du moment dynamique conduisent chacune à<br />
trois équations scalaires, soit pour les deux à six équations scalaires pour un système matériel<br />
donné.<br />
Le choix du repère pour expliciter l’équation de la résultante dynamique est le choix du point<br />
où sera calculé le moment dynamique doivent être judicieux de manière à simplifier l’écriture<br />
mathématique des équations scalaires.<br />
Ces équations scalaires sont des équations différentielles de second ordre et en générale non<br />
linéaires. Elles contiennent les caractéristiques d’inertie et les données géométriques du<br />
système ainsi que les composantes d’actions mécaniques appliquées au système.<br />
4. Principe de l’action et de la réaction<br />
Deux points A et B quelconque d’un système<br />
matériel (S) sont en interaction, ils s’influencent<br />
mutuellement par les actions et les réactions de<br />
l’un sur l’autre.<br />
→<br />
F : action de A sur B<br />
A / B<br />
B<br />
→<br />
F A / B<br />
(S)<br />
→<br />
F<br />
B / A<br />
A<br />
→<br />
F B<br />
: action de B sur A<br />
/ A<br />
Ces deux actions s’équilibrent, le principe de l’action et de la réaction se traduit par<br />
l’équation :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
F A<br />
+ F = 0<br />
/ B B / A<br />
Cette expression signifie que les actions sont portées par la droite qui joint les deux points A<br />
et B , on peut écrire alors :<br />
→<br />
−→<br />
A / B<br />
λ<br />
F<br />
= AB<br />
et<br />
→<br />
−→<br />
B / A<br />
λ<br />
F<br />
= BA<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
FA<br />
/ B<br />
+ FB<br />
/ A<br />
= λ AB+<br />
λ BA = λ ( AB−<br />
AB)<br />
= 0<br />
−→<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
358
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A.KADI<br />
4.1. Théorème de l’action et de la réaction<br />
Soient deux systèmes matériels (S 1 ) et (S 2 ) en mouvement dans un référentiel Galiléen R 0<br />
.<br />
Appelons (S) le système constitué de la réunion des deux systèmes : ( S)<br />
= ( S 1<br />
) ∪ ( S 2<br />
)<br />
Le torseur des forces extérieures s’exerçant sur ( S 1<br />
) se décompose en :<br />
- [] τ<br />
Fext1 : résultant des actions du milieu extérieur (S) sur (S 1 ) ;<br />
- [] τ<br />
12 : résultant des actions de (S 2 ) sur (S 1 ) ;<br />
Le torseur des forces extérieures s’exerçant sur ( S 2<br />
) se décompose, en :<br />
- [] τ<br />
Fext2 : résultant des actions du milieu extérieur (S) sur (S 2 ) ;<br />
- [] τ<br />
21 : résultant des actions de (S 1 ) sur (S 2 ) ;<br />
Appliquons le principe fondamental de la dynamique dans le repère Galiléen<br />
R 0<br />
aux<br />
différents systèmes :<br />
D<br />
1<br />
= τ<br />
Fext<br />
+ τ<br />
- à (S 1 ) : [ ] [ ] 1<br />
[ ] 12<br />
D<br />
2<br />
= τ<br />
Fext<br />
+ τ<br />
- à (S 2 ) : [ ] [] 2<br />
[] 12<br />
D<br />
= τ + τ<br />
- à (S) : [ ] [ ]<br />
Fext1<br />
[ ]<br />
Fext2<br />
Sachant que : [ D ] = [ D] 1<br />
+ [ D] 2<br />
en les remplaçant par leurs expressions on obtient :<br />
→<br />
F n<br />
(S 1 )<br />
→<br />
F 1<br />
(S 2 )<br />
→<br />
F<br />
2<br />
→<br />
F 3<br />
[] τ<br />
Fext 1<br />
+ [] τ<br />
Fext 2<br />
= [] τ<br />
Fext 1<br />
+ [] τ 21<br />
+ [] τ<br />
Fext 2<br />
+ [ τ ] 12 ⇔ [ τ ]<br />
12<br />
+ [ τ ]<br />
12<br />
= 0 ⇒ [ τ ]<br />
21<br />
= −[ τ ]<br />
12<br />
Cette expression traduit le théorème de l’action et de la réaction. Pour le système matériel (S)<br />
la relation : [] + [] τ 0<br />
τ caractérise les actions intérieures.<br />
12 12<br />
=<br />
D’une manière générale, lorsqu’il est possible de caractériser toutes les actions mécaniques<br />
intérieures à un système matériel (S) par un torseur [ τ ] F int , celui-ci est toujours nul.<br />
[ τ ]<br />
F int<br />
= 0<br />
4.2. Propriétés des forces intérieures<br />
Le torseur des forces intérieures a comme éléments de réduction : [ τ ]<br />
F int<br />
→<br />
⎧<br />
⎪ R<br />
⎨ →<br />
⎪⎩ M<br />
→<br />
= 0<br />
int<br />
=<br />
→<br />
Aint<br />
= 0<br />
→<br />
n<br />
i=<br />
1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R<br />
int<br />
= ∑ ( F ij<br />
+ F ji<br />
) = 0 action réaction<br />
→<br />
→<br />
= −<br />
ji<br />
F ij<br />
F<br />
359
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A.KADI<br />
Le moment des forces intérieures en un point A quelconque de l’espace est donné par :<br />
−→<br />
−−→ → −−→ →<br />
−−→ → −−→ −−−−→ →<br />
⎛<br />
⎞ ⎛<br />
M<br />
A int<br />
= ∑⎜<br />
AM<br />
i<br />
∧ Fij<br />
+ AM<br />
j<br />
∧ F<br />
ji ⎟ = ∑⎜<br />
AM<br />
i<br />
∧ Fij<br />
+ ( AM<br />
i<br />
+ M<br />
iM<br />
j<br />
) ∧ F<br />
⎝<br />
⎠ ⎝<br />
i<br />
i<br />
−−→ → → −−−−→ → →<br />
⎛<br />
⎞<br />
= ∑⎜<br />
AM<br />
i<br />
∧ ( Fij<br />
+ F<br />
ji<br />
) + M<br />
iM<br />
j<br />
∧ F<br />
ji ⎟ = 0<br />
⎝<br />
⎠<br />
i<br />
ji<br />
⎟ ⎠<br />
⎞<br />
car<br />
→ →<br />
( F ij<br />
Fji<br />
→<br />
+ ) = 0<br />
et<br />
−−−−→<br />
M M<br />
i<br />
j<br />
→<br />
→<br />
∧ F = 0<br />
ji<br />
Le torseur des forces intérieures est toujours un torseur nul : [ τ ]<br />
F int<br />
= 0<br />
5. Principe fondamental de la dynamique dans un référentiel non Galiléen<br />
Soit un repère Galiléen<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
et un système matériel (S) lié à un repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R1<br />
( O1<br />
, x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
en mouvement quelconque mais déterminé et connu par rapport à R0<br />
.<br />
L’application du théorème fondamental au système matériel (S) dans son mouvement par<br />
rapport au repère Galiléen<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
se traduit par l’égalité du torseur dynamique du<br />
système et du torseur des forces extérieures en un point A quelconque et s’écrit :<br />
[ D]<br />
A / R0<br />
[ D] A / R<br />
= [ τ ]<br />
0 Fext A / R0<br />
⎧<br />
→<br />
⎪ D =<br />
= ⎨ →<br />
⎪<br />
0<br />
δ<br />
A<br />
=<br />
⎪⎩<br />
∫<br />
S<br />
∫<br />
S<br />
→<br />
0<br />
γ ( M ) dm<br />
−−→<br />
→<br />
0<br />
AM ∧ γ ( M ) dm<br />
Nous avons vu précédemment en cinématique du solide que la loi de composition des<br />
vecteurs accélérations s’écrit :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎛<br />
→<br />
0<br />
0<br />
1 ⎜ 0 d Ω<br />
γ ( M ) = γ ( M ) + ⎜γ<br />
( O1<br />
) +<br />
dt<br />
⎝<br />
0<br />
1<br />
⎞<br />
−−−→ → → −−−→ → →<br />
0 0 ⎟ ⎛ 0 1 ⎞<br />
∧ O1M<br />
+ Ω1<br />
∧ Ω1<br />
∧ O1M<br />
⎟ + 2⎜Ω1<br />
∧V<br />
( M ) ⎟<br />
⎝<br />
⎠<br />
⎠<br />
0<br />
1<br />
0<br />
Sous forme réduite cette expression s’écrit : γ ( M ) = γ ( M ) + γ ( M ) + γ ( M )<br />
→<br />
γ 0 ( M ) : accélération absolue du point M ;<br />
→<br />
γ 1 ( M ) : accélération relative du point M ;<br />
→<br />
→<br />
→<br />
1<br />
→<br />
C<br />
360
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
0<br />
γ ( ) : accélération d’entraînement du point M ;<br />
1<br />
M<br />
→<br />
γ (M ) : accélération de Coriolis (ou complémentaire) du point M.<br />
C<br />
Ces trois accélérations donnent naissance à des résultantes dynamiques et à des moments<br />
dynamiques en un point A quelconque de l’espace, nous aurons ainsi les trois torseurs<br />
suivants:<br />
[ D] A / R<br />
= [ D] [ ] [ ] [ ]<br />
0 A / R<br />
+ D<br />
1 ie<br />
+ D<br />
A ic<br />
= τ<br />
A Fext A / R0<br />
- Torseur dynamique du système (S) dans son mouvement relatif par rapport à R 1<br />
:<br />
[ D]<br />
A / R1<br />
⎧<br />
⎪<br />
= ⎨<br />
⎪<br />
⎪⎩<br />
∫<br />
S<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
1<br />
γ ( M ) dm<br />
→<br />
1<br />
AM ∧ γ ( M ) dm<br />
- Torseur des forces d’inertie d’entraînement du système (S)<br />
[ D ]<br />
- Torseur des forces de Coriolis :<br />
[ D ]<br />
ic<br />
ie A∈R<br />
1 / R0<br />
A<br />
⎧<br />
⎪<br />
= ⎨<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
∫<br />
S<br />
∫<br />
S<br />
⎧<br />
⎪<br />
= ⎨<br />
⎪<br />
⎪⎩<br />
∫<br />
S<br />
→<br />
0<br />
∫γ<br />
1<br />
S<br />
−−→<br />
( M ) dm<br />
→<br />
0<br />
AM ∧ γ ( M ) dm<br />
→ →<br />
⎛ 0 1 ⎞<br />
2⎜Ω1<br />
∧V<br />
( M ) ⎟dm<br />
⎝<br />
⎠<br />
−−→ → →<br />
⎛ 0 1 ⎞<br />
AM ∧ 2⎜Ω1<br />
∧V<br />
( M ) ⎟dm<br />
⎝<br />
⎠<br />
En remplaçant les expressions des trois torseurs, nous déduisons facilement le torseur<br />
dynamique dans le repère non Galiléen R 1<br />
:<br />
[ D] A / R<br />
[ τ Fext<br />
] A R<br />
− [ D ie<br />
] A R R<br />
− [ D ic<br />
]<br />
/<br />
A<br />
= 0<br />
∈ 1 0<br />
1 /<br />
Cette expression d’égalité des torseurs se traduit par deux équations vectorielles :<br />
1<br />
∫<br />
S<br />
→<br />
1<br />
γ ( M ) dm =<br />
∑<br />
i<br />
F<br />
→<br />
ext<br />
−<br />
∫<br />
S<br />
→<br />
0<br />
γ ( M ) dm −<br />
1<br />
∫<br />
S<br />
→<br />
⎛ 0<br />
2⎜Ω1<br />
∧V<br />
⎝<br />
→<br />
1<br />
⎞<br />
( M ) ⎟dm<br />
⎠<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
1<br />
AM ∧ γ ( M ) dm =<br />
−−→<br />
AM ∧<br />
∑<br />
i<br />
F<br />
→<br />
ext<br />
−<br />
∫<br />
S<br />
−−→<br />
→<br />
0<br />
AM ∧ γ ( M ) dm −<br />
1<br />
∫<br />
S<br />
−−→ →<br />
⎛ 0<br />
AM ∧ 2⎜Ω1<br />
∧V<br />
⎝<br />
→<br />
1<br />
⎞<br />
( M ) ⎟dm<br />
⎠<br />
361
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Les actions d’inertie d’entraînement et de Coriolis sont des actions immatérielles, donc<br />
fictives qui traduisent l’influence du mouvement d’un repère non Galiléen par rapport à un<br />
repère Galiléen.<br />
6. Théorème de l’énergie cinétique<br />
Dans de nombreux cas, pour déterminer l’équation du mouvement d’un solide où d’un<br />
système de solide, il est plus judicieux d’utiliser le théorème de l’énergie cinétique afin<br />
d’aboutir à la solution du problème mécanique.<br />
De plus la dérivée de l’énergie cinétique est liée à la puissance des efforts intérieurs et<br />
extérieurs agissant sur le solide.<br />
6.1. Travail et puissance d’une force<br />
Soit un système discret composé de n particules M i de masse m i , mobiles dans un<br />
→<br />
→<br />
→<br />
référentiel Galiléen R(<br />
O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
. Soit OM le vecteur position dans le repère<br />
−−−→<br />
i<br />
R de la<br />
particule M i<br />
, son vecteur vitesse s’écrirait :<br />
−−−→<br />
→<br />
d OM<br />
−−−→ →<br />
i<br />
V ( M<br />
i<br />
) = ⇒ d OM<br />
i<br />
= V ( M<br />
i<br />
) dt<br />
dt<br />
−−−→<br />
d OM i<br />
: le vecteur déplacement élémentaire durant un temps dt<br />
M i<br />
→<br />
F i<br />
Si la particule est soumise à une force , le travail élémentaire de cette force est égale à :<br />
dW<br />
i<br />
→ −−−→<br />
= Fi<br />
• d OM<br />
i<br />
La puissance que reçoit la particule M i<br />
est égal à :<br />
P<br />
i<br />
=<br />
dW<br />
dt<br />
i<br />
→<br />
= F<br />
i<br />
•<br />
−−−→<br />
d OM<br />
dt<br />
i<br />
=<br />
→ →<br />
Fi<br />
• V ( M<br />
i<br />
)<br />
→<br />
il faut noter que chaque terme F contient les forces intérieures et extérieures tel<br />
→<br />
→ →<br />
=<br />
i int iext<br />
i<br />
→<br />
F i int<br />
que : F F + F ; pour l’ensemble du système nous aurons :<br />
i<br />
∑<br />
→<br />
i<br />
•<br />
−−−→<br />
∑<br />
→<br />
( Fi<br />
int<br />
W = F d OM = + F )<br />
i<br />
∑<br />
i<br />
→ →<br />
→<br />
Fi<br />
• V ( M<br />
i<br />
) = ∑(<br />
Fi<br />
int<br />
i<br />
i<br />
→<br />
→<br />
iext<br />
−−−→<br />
• d OM<br />
i<br />
→<br />
• V<br />
P =<br />
+ F ) ( M )<br />
i<br />
iext<br />
i<br />
→<br />
F iext<br />
362
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
6.2. Théorème de l’énergie cinétique<br />
L’ensemble des n particules M i de masse m i et de vitesse<br />
V →<br />
( M<br />
i<br />
) en mouvement dans le<br />
référentiel Galiléen<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R(<br />
O,<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
a pour énergie cinétique<br />
E<br />
C<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
1<br />
→<br />
⎛<br />
mi<br />
⎜V<br />
( M<br />
2 ⎝<br />
La dérivée de cette expression par rapport au temps donne :<br />
i<br />
⎞<br />
) ⎟<br />
⎠<br />
2<br />
dE<br />
dt<br />
C<br />
=<br />
n<br />
∑<br />
i=<br />
1<br />
→<br />
V ( M<br />
i<br />
)<br />
mi<br />
dt<br />
→<br />
• V<br />
( M )<br />
i<br />
or la force à laquelle est soumise la particule M i<br />
est égale à :<br />
ainsi :<br />
dE<br />
dt<br />
C<br />
n<br />
= ∑ Fi<br />
i=<br />
1<br />
→ →<br />
• V ( M<br />
i<br />
) = P<br />
→<br />
(<br />
d V M<br />
F<br />
→ i<br />
)<br />
= i<br />
m , on obtient<br />
i<br />
dt<br />
Comme la force<br />
→<br />
F i<br />
contient des forces d’origines intérieures et extérieures, cette relation<br />
peut s’écrire :<br />
dE<br />
dt<br />
C<br />
= P int<br />
+ P<br />
P<br />
int<br />
: puissance fournie au système par les forces intérieures ;<br />
P<br />
ext<br />
: puissance fournie au système par les forces extérieures.<br />
ext<br />
La puissance des efforts intérieurs et extérieurs est égale à la dérivée par rapport au temps de<br />
l’énergie cinétique.<br />
En intégrant l’expression précédente entre deux instants et t , le théorème de l’énergie<br />
t1<br />
2<br />
cinétique devient :<br />
E<br />
C<br />
t2<br />
( t2 ) − EC<br />
( t1)<br />
= ∫ ( Pint<br />
+ Pext<br />
) dt<br />
t1<br />
E ( t E t = W + W<br />
C<br />
2<br />
) −<br />
C<br />
(<br />
1)<br />
int<br />
ext<br />
la variation de l’énergie cinétique entre deux instants et t est égale au travail de toutes<br />
t1<br />
2<br />
les forces intérieures et extérieures qui s’appliquent sur l’ensemble des particules.<br />
363
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
6.3. Energie cinétique d’un solide indéformable<br />
Dans le cas d’un solide indéformable l’énergie cinétique est donnée par :<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
1<br />
∫ →<br />
2<br />
V<br />
2<br />
S<br />
E = ( M ) dm<br />
C<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1 1<br />
Soit R O,<br />
x , y , z ) un repère orthonormé fixe et R O , x , y , z ) un repère lié au solide (S)<br />
indéformable, en mouvement quelconque tel que<br />
O ∈ ( ) .<br />
1<br />
S<br />
→<br />
Ω1<br />
R1<br />
2<br />
0<br />
Soit : la vitesse de rotation du repère par rapport au repère R et M un point<br />
quelconque du solide, nous écrire par la cinématique du solide :<br />
→<br />
→<br />
→ −−−→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
V ( M ) = V ( O1<br />
) + Ω1<br />
∧ O1M<br />
L’énergie cinétique du solide (S) en mouvement par rapport à un repère fixe<br />
R 0<br />
a pour<br />
expression :<br />
dE<br />
dt<br />
→<br />
0 →<br />
C<br />
→<br />
0<br />
→<br />
= 0 d V ( M )<br />
0<br />
0<br />
V ( M ) • dm V ( M ) •<br />
∫ =<br />
( M ) dm<br />
dt<br />
∫ γ<br />
S<br />
S<br />
dE<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
⎛<br />
−−−→<br />
0<br />
0 ⎞ 0<br />
= V ( O1<br />
)<br />
1<br />
O1M<br />
•<br />
∫ ⎜ + Ω ∧ ⎟ γ ( M ) dm<br />
⎝<br />
⎠<br />
0 →<br />
C<br />
S<br />
en utilisant la règle de permutation dans le produit mixte, l’expression devient :<br />
dE<br />
dt<br />
0<br />
C<br />
→<br />
0<br />
= V<br />
( O )<br />
1<br />
→<br />
0<br />
•<br />
∫<br />
S<br />
γ ( M ) dm + Ω<br />
→ −−−→ →<br />
0<br />
0<br />
1<br />
• ∧<br />
∫ O1M<br />
γ<br />
S<br />
qui peut s’écrire aussi sous la forme de produit de deux torseurs :<br />
dE<br />
dt<br />
0<br />
C<br />
⎧<br />
⎪<br />
= ⎨<br />
⎪<br />
⎩V<br />
→<br />
Ω<br />
0<br />
1<br />
→<br />
0<br />
1<br />
( O )<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎪⎩<br />
∫<br />
S<br />
•<br />
∫<br />
S<br />
→<br />
0<br />
γ ( M ) dm<br />
→<br />
=<br />
−−−→<br />
0<br />
O M ∧ γ ( M ) dm<br />
1<br />
( M ) dm<br />
[ C] • [ D]<br />
La dérivée de l’énergie cinétique est égale au produit des torseurs cinématiques et<br />
dynamiques, elle est donc égale à la puissance des quantités d’accélérations absolues.<br />
On a vu précédemment, d’après le théorème fondamental de la dynamique que le torseur<br />
dynamique est égal au torseur des efforts extérieurs pour un solide indéformable, d’où<br />
l’expression finale :<br />
dE<br />
C =<br />
dt<br />
P<br />
ext<br />
O1<br />
O1<br />
364
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A.KADI<br />
6.4. Conservation de l’énergie totale<br />
Le théorème de l’énergie cinétique peut alors s’écrire :<br />
dE = P dt = dW<br />
C<br />
ext<br />
Si toutes les forces extérieures dérivent d’une fonction potentielle U (r) indépendante du<br />
→<br />
F ext<br />
temps, elles peuvent s’écrire sous la forme : = − grad U (r) et on déduit :<br />
dW<br />
ext<br />
→<br />
= F<br />
Le théorème de l’énergie cinétique devient :<br />
ext<br />
•<br />
→<br />
ext<br />
−−−→<br />
d r = −dU (r)<br />
dE C<br />
= −dU (r) ⇔ d( EC + U ) = 0 et finalement : E C<br />
+ U = Cte<br />
E C + U = E ,<br />
E : Energie totale<br />
Cette expression traduit le théorème de conservation de l’énergie totale.<br />
7. Dynamique des solides en contacts<br />
7.1. Actions de contact entre deux solides : Lois de Coulomb<br />
Les lois de coulomb introduisent les notions de frottement de glissement entre les solides.<br />
Soient deux solides (S 1 ) et (S 2 ) liés aux repères et R mobiles par rapport à un repère<br />
R 0<br />
R1<br />
2<br />
fixe. Les deux solides en mouvement sont assujettis à un contact ponctuel à tout instant<br />
en un point I appartenant au plan (P) tangent en ce point aux deux solides.<br />
→<br />
n normale en I au plan (P)<br />
→<br />
T ∈ (P)<br />
→<br />
V g<br />
S 2<br />
→<br />
n<br />
→<br />
N<br />
I<br />
ϕ<br />
→<br />
R<br />
→<br />
T<br />
(P<br />
S 1<br />
Au point de contact des deux solides nous pouvons distinguer :<br />
I ∈ : point du solide en contact avec le solide S à l’instant t ;<br />
1<br />
S 1<br />
2<br />
S 2<br />
S1<br />
2<br />
I ∈ : point du solide en contact avec le solide S au même instant t ;<br />
R 0<br />
S2<br />
1<br />
I ∈ : la position commune de I1 ∈ S1<br />
et I<br />
2<br />
∈ S<br />
2<br />
au même instant t ;<br />
365
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A.KADI<br />
Le point géométrique I n’appartient ni à ni à . Les points I,<br />
I I occupent<br />
S1<br />
S ,<br />
2<br />
1 2<br />
géométriquement la même position mais ils ont des rôles cinématiques différents.<br />
La vitesse de glissement du solide par rapport au solide S appartient au plan (P) tangent<br />
S2<br />
1<br />
au point de contact, elle est donnée par la relation :<br />
→<br />
0<br />
0<br />
V ( I)<br />
= V ( S<br />
2<br />
/ S1)<br />
= V ( I<br />
2<br />
) −V<br />
( I1)<br />
g<br />
→<br />
g<br />
Le solide exerce une action sur le solide S , tel que représenté sur la figure ci-dessus et<br />
S1<br />
2<br />
de même pour qui exerce la même action sur S mais dans le sens opposé. Ces actions<br />
S2<br />
1<br />
peuvent être représentées par leurs torseurs respectifs en un point A quelconque de l’espace.<br />
→<br />
→<br />
Action de sur S : [ ] = −→<br />
; Action de sur S : [ T ]<br />
S1<br />
2<br />
→<br />
⎪⎧<br />
R<br />
⎨<br />
⎪⎩ M<br />
T21<br />
S<br />
A<br />
2 1<br />
1A<br />
12<br />
A<br />
→<br />
⎪⎧<br />
R<br />
⎨ −<br />
⎪⎩ M<br />
= →<br />
2 A<br />
La réaction se compose d’une normale<br />
→<br />
N<br />
au plan tangent (P) au point I et d’une<br />
composante tangentielle<br />
→<br />
T située dans le plan (P) tel que :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R = N + T<br />
Les deux composantes satisfont aux lois de coulomb déterminées expérimentalement.<br />
7.2. Réaction normale → N<br />
La réaction normale<br />
→<br />
N<br />
est toujours dirigée vers les solides auquel elle est appliquée, c’est<br />
une force répulsive. Elle ne dépend ni de la nature des surfaces en contact ni de la vitesse de<br />
glissement entre les deux solides. Elle disparaît lorsqu’il n’a plus de contact entre les solides.<br />
7.3. Réaction tangentielle T<br />
→<br />
Deux cas peuvent se présenter : - Contact entre deux solides avec glissement<br />
- Contact entre deux solides sans glissement<br />
a) Contact avec glissement<br />
Quand le solide glisse sur le solide S , la vitesse de glissement n’est pas nulle, elle est<br />
donnée par : V<br />
S2<br />
1<br />
→ →<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
g<br />
( I)<br />
Vg<br />
( S<br />
2<br />
/ S1)<br />
= V ( I<br />
2<br />
) −V<br />
( I1<br />
= ) ≠ 0<br />
La réaction tangentielle T → est colinéaire à la vitesse de glissement, mais de sens opposée.<br />
Pour une vitesse de glissement fixée, le module de la réaction tangentielle (force de<br />
→<br />
frottement) est proportionnel au module de la réaction normale : T<br />
→<br />
=<br />
f<br />
→<br />
N<br />
366
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
f : est le coefficient de frottement de glissement, il dépend de la nature et de l’état des surfaces<br />
en contact. Ce coefficient, souvent indépendant de la vitesse de glissement, s’exprime aussi<br />
par la relation :<br />
f = tgϕ , ϕ : est l’angle de frottement.<br />
En réalité quand les solides glissent l’un par rapport à l’autre, on constate que le coefficient de<br />
frottement diminue légèrement. De là, on distingue deux coefficients :<br />
f : coefficient de frottement statique pour V<br />
S<br />
f : coefficient de frottement dynamique pour V<br />
D<br />
→<br />
g<br />
( S 2<br />
/ S1<br />
→<br />
) = 0<br />
→<br />
g<br />
( S 2<br />
/ S1<br />
→<br />
) ≠ 0<br />
→ →<br />
Si le mouvement se fait sans frottement : f = 0 alors T = 0 , alors la réaction<br />
normale au plan (P).<br />
D<br />
→<br />
R est<br />
b) Contact sans glissement<br />
Le solide ne glisse pas sur le solide S tant que :<br />
S2<br />
1<br />
→<br />
T ≤<br />
f<br />
→<br />
N<br />
On peut constater géométriquement qu’il n’y a pas de glissement tant que la réaction<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R = N + T<br />
est située à l’intérieur du cône de frottement statique.<br />
S 2<br />
→<br />
N<br />
ϕ S<br />
→<br />
R<br />
(P<br />
c) Roulement et Pivotement<br />
Les lois de Coulomb peuvent se généraliser<br />
aux actions de frottements de roulement et de<br />
pivotement. Le roulement se fait le long de l’axe portant la vitesse de glissement et le<br />
pivotement se fait autour de la normale au point de contact I des deux solides. Le moment<br />
S 1<br />
I<br />
résistant au pivotement au point I est noté :<br />
−→<br />
M Ip<br />
et le moment résistant au roulement au<br />
point I est noté :<br />
−→<br />
M Ir<br />
367
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A.KADI<br />
Dans le cas du glissement nous avons :<br />
−→<br />
M<br />
Ip<br />
→<br />
= λ N et<br />
p<br />
−→<br />
M<br />
Ir<br />
→<br />
= λ N<br />
r<br />
λ<br />
p<br />
et<br />
λ<br />
r<br />
: sont appelés coefficient de résistance au pivotement et au roulement.<br />
Ils ont les mêmes dimensions que les longueurs et sont de valeurs très faibles devant les<br />
coefficients de frottement statique et dynamique.<br />
7.4. Travail des actions de contact<br />
Nous avons montré précédemment que les points de contact ont respectivement des vitesses<br />
→<br />
V 0 ( I 2<br />
)<br />
→<br />
( 2<br />
→<br />
et V 0 ( I 1<br />
) , donc des déplacements élémentaires : dI S<br />
0<br />
= V I ) dt et<br />
2<br />
→<br />
( 1<br />
0<br />
dI S<br />
= V I ) dt<br />
1<br />
Le travail de la résultante → R est donné par :<br />
Le travail total sera :<br />
dW<br />
dW<br />
→<br />
→ →<br />
0<br />
S 2<br />
= R•<br />
dI<br />
S 2<br />
= R•<br />
V ( I 2<br />
)<br />
dt<br />
→<br />
→ →<br />
0<br />
S 1<br />
= − R•<br />
dI<br />
S1<br />
= − R•<br />
V ( I 1<br />
)<br />
→ →<br />
→ →<br />
→ →<br />
→<br />
0<br />
0 ⎛ 0<br />
0 ⎞<br />
→ →<br />
dWS1 + dWS1<br />
= R•<br />
V ( I<br />
2<br />
) dt − R•<br />
V ( I1)<br />
dt = R•<br />
⎜V<br />
( I<br />
2<br />
) dt −V<br />
( I1)<br />
dt ⎟ = R•<br />
Vg<br />
( I)<br />
⎝<br />
⎠<br />
→ →<br />
→ →<br />
Or nous savons que N ⊥ V (I) et que T // V ( I)<br />
alors :<br />
g<br />
g<br />
dt<br />
dW<br />
→ →<br />
→ → → → →<br />
⎛ ⎞<br />
= R•<br />
Vg<br />
( I ) = ⎜ N + T ⎟ • Vg<br />
( I ) = T • Vg<br />
( I )<br />
⎝ ⎠<br />
Comme<br />
→<br />
T<br />
et<br />
→<br />
V ( I)<br />
g<br />
sont de sens contraires, alors le travail des actions de contact est<br />
toujours négatif :<br />
dW<br />
= T<br />
→ →<br />
• Vg<br />
( I)<br />
≤ 0<br />
Le travail peut être nul si :<br />
C’est une énergie dissipée souvent sous forme de chaleur<br />
→ →<br />
- il n’y a pas de frottement T = 0 ;<br />
→<br />
V g<br />
- il n’y a pas de glissement ( I)<br />
= 0<br />
→<br />
368
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
EXERCICES ET SOLUTIONS<br />
Exercice 01 :<br />
Soit une barre homogène de longueur AB=L, de masse m, de centre G dont l’extrémité A<br />
repose sur un sol lisse et l’extrémité B s’appuie contre mur vertical parfaitement lisse.<br />
Initialement la barre fait un angle θ 0<br />
avec le mur. Les deux extrémités glissent, sans<br />
frottement, respectivement sur le sol et sur le mur.<br />
1. En utilisant les théorèmes de la résultante dynamique et du moment dynamique, établir les<br />
trois équations scalaires du mouvement de la barre ;<br />
••<br />
2. En déduire, à partir de ces équations, l’accélération angulaire θ de la barre ;<br />
•<br />
2 3g<br />
3. En intégrant l’équation de l’accélération, monter que l’on a : θ = (cosθ<br />
0<br />
− cosθ<br />
)<br />
L<br />
;<br />
•<br />
2<br />
4. Retrouver l’expression de θ en utilisant le théorème de conservation de l’énergie<br />
mécanique totale ;<br />
5. Déterminer en fonction de θ les réactions RA<br />
et RB<br />
;<br />
6. En déduire l’angle pour lequel la barre quitte le mur.<br />
→<br />
y<br />
0<br />
Solution :<br />
→<br />
y<br />
1<br />
B<br />
O<br />
θ<br />
0<br />
→<br />
R B<br />
• G<br />
→<br />
R A<br />
A<br />
θ<br />
→<br />
x<br />
1<br />
→<br />
x<br />
0<br />
Mur lisse<br />
⇒<br />
→ →<br />
B = RB<br />
x0<br />
R<br />
;Sol lisse ⇒<br />
→ →<br />
A = RA<br />
y0<br />
R<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) repère fixe<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ →<br />
≡<br />
1<br />
R A,<br />
x , y , z ) lié à la barre tel que : z 0<br />
z et Ω<br />
→ • → • →<br />
0<br />
1<br />
= θ z0<br />
= θ z1<br />
371
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
1. Equations scalaires du mouvement de la barre ;<br />
a) Théorème de la résultante dynamique :<br />
∑ F<br />
0 i<br />
mγ ( G)<br />
⇔ R<br />
0 ( G<br />
A<br />
+ RB<br />
+ P = mγ<br />
) (1)<br />
i<br />
→<br />
=<br />
→<br />
⎧ L<br />
⎪<br />
sinθ<br />
2<br />
−−→ ⎪L<br />
OG = ⎨ cosθ<br />
⇒<br />
⎪ 2<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
⎧ L<br />
•<br />
⎪ θ cosθ<br />
2<br />
→ ⎪ •<br />
0 L<br />
V ( G)<br />
= ⎨−<br />
θ sinθ<br />
⇒<br />
⎪ 2<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
Projetons l’équation (1) sur les axes Ox et Oy:<br />
•<br />
L ⎛<br />
••<br />
2 ⎞<br />
R B<br />
= m ⎜θ<br />
cosθ<br />
−θ<br />
sinθ<br />
⎟<br />
(2)<br />
2 ⎝<br />
⎠<br />
•<br />
L ⎛<br />
••<br />
2 ⎞<br />
R A<br />
− mg = −m<br />
⎜θ<br />
sinθ<br />
+ θ cosθ<br />
⎟ (3)<br />
2 ⎝<br />
⎠<br />
b) Théorème du moment dynamique :<br />
0<br />
→<br />
0<br />
γ ( G ) =<br />
R<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨−<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
Le moment des forces extérieures est égal au moment dynamique du système.<br />
0<br />
•<br />
L ⎛<br />
••<br />
2 ⎞<br />
⎜θ<br />
cosθ<br />
−θ<br />
sinθ<br />
⎟<br />
2 ⎝<br />
⎠<br />
•<br />
L ⎛<br />
••<br />
2 ⎞<br />
⎜θ<br />
sinθ<br />
+ θ cosθ<br />
⎟<br />
2 ⎝<br />
⎠<br />
0<br />
0<br />
∑ M ( Fext<br />
) /<br />
O<br />
= δ ( S / R0<br />
)<br />
(4) avec<br />
i<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
0<br />
δ ( S / R ) =<br />
0<br />
d<br />
0<br />
σ ( S / R )<br />
0<br />
→<br />
dt<br />
0<br />
0<br />
Calculons le moment cinétique : σ<br />
→<br />
−−→ →<br />
0<br />
( S / R0<br />
) = OG∧<br />
mV ( G)<br />
+ I<br />
G<br />
Le tenseur d’inertie de la barre dans le repère R 1<br />
est donné par :<br />
Le moment cinétique s’écrira :<br />
→<br />
0<br />
1<br />
. Ω<br />
I G<br />
⎡mL<br />
⎢<br />
⎢<br />
12<br />
=<br />
⎢<br />
0<br />
⎢ 0<br />
R<br />
⎢⎣<br />
⎧ L<br />
⎧ L<br />
•<br />
2<br />
⎪<br />
sinθ<br />
⎪ θ cosθ<br />
⎡mL<br />
⎤<br />
2<br />
2<br />
⎢ 0 0 ⎥⎡0⎤<br />
→<br />
⎪<br />
⎪ •<br />
+<br />
⎢<br />
12<br />
0<br />
L<br />
L<br />
σ ( S / R =<br />
∧<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
0<br />
) ⎨ cosθ<br />
m ⎨−<br />
θ sinθ<br />
⎢<br />
0 0 0<br />
⎥⎢<br />
0<br />
• ⎥<br />
⎪ 2<br />
⎪ 2<br />
2<br />
⎢ mL ⎥⎢⎣<br />
θ ⎥<br />
⎪ 0 ⎪ 0<br />
0 0 ⎦<br />
⎢⎣<br />
⎥<br />
⎪<br />
⎪<br />
12 ⎦<br />
⎩<br />
⎩<br />
R<br />
R<br />
1<br />
0<br />
R0<br />
1<br />
2<br />
0<br />
0<br />
0<br />
⎤<br />
0 ⎥<br />
0<br />
⎥<br />
2 ⎥<br />
mL ⎥<br />
12 ⎥⎦<br />
→<br />
2 • 2 • →<br />
2 • →<br />
0<br />
⎛ mL mL ⎞ mL<br />
σ ( S / R = ⎜−<br />
+<br />
⎟<br />
0<br />
) θ θ z0<br />
= − θ z0<br />
, on déduit le moment dynamique par :<br />
⎝ 4 12 ⎠ 6<br />
372
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0 0<br />
2<br />
d σ ( S / R<br />
•• →<br />
0<br />
) mL<br />
= = − θ<br />
0<br />
δ ( S / R0<br />
)<br />
z<br />
dt 6<br />
Nous avons ainsi :<br />
traduit par :<br />
mL<br />
B θ cette équation vectorielle se<br />
6<br />
−→ → −→ → −→ →<br />
2 •• →<br />
∧ R + OA∧<br />
R A + OG∧<br />
P = − z0<br />
OB<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ R<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎜ L cosθ<br />
⎟ ∧ ⎜ 0<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
⎝ 0 ⎠ ⎝ 0<br />
B<br />
⎞ ⎛ Lsinθ<br />
⎞ ⎛ 0<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟ + ⎜ 0 ⎟ ∧ ⎜ R<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝ 0<br />
A<br />
⎞ ⎛ ( L / 2)sinθ<br />
⎞ ⎛ 0<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎟ + ⎜(<br />
L / 2)cosθ<br />
⎟ ∧ ⎜−<br />
P<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎝ 0<br />
⎛<br />
⎞ ⎜ 0<br />
⎟ ⎜<br />
⎟ =<br />
⎜<br />
0<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎜ mL<br />
−<br />
⎝ 6<br />
2<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
••<br />
θ<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
L mL<br />
••<br />
− RB<br />
L cosθ<br />
+ RALsinθ<br />
− mg sinθ<br />
= − θ<br />
2 6<br />
(5)<br />
••<br />
2. Accélération angulaire θ de la barre<br />
En remplaçant R et R par leurs expressions dans l’équation (5) , on aboutit à :<br />
A<br />
B<br />
2<br />
mL<br />
••<br />
•<br />
L<br />
••<br />
•<br />
2<br />
L mL<br />
••<br />
2<br />
⎛<br />
2 ⎞<br />
− cosθ<br />
( θ cosθ<br />
−θ<br />
sinθ<br />
) + Lsinθ<br />
⎜mg<br />
− m ( θ sinθ<br />
+ θ cosθ<br />
) ⎟ − mg sinθ<br />
= − θ<br />
2<br />
⎝ 2<br />
⎠ 2 6<br />
2<br />
mL<br />
••<br />
2<br />
L mL<br />
••<br />
••<br />
3 g<br />
− θ + mg sinθ<br />
= − θ ⇔ θ − sinθ<br />
= 0<br />
2 2 6<br />
2 L<br />
•<br />
2 3g<br />
3. Monter que l’on a : θ = (cosθ<br />
0<br />
− cosθ<br />
) ;<br />
L<br />
•<br />
En multiplie l’équation de l’accélération angulaire par 2θ on obtient :<br />
• ••<br />
g<br />
•<br />
2 θ θ − 3 θ sinθ<br />
= 0 en intégrant cette équation on aboutit à :<br />
L<br />
•<br />
2<br />
θ<br />
=<br />
g<br />
L<br />
( ) θ •<br />
2<br />
3 − cosθ<br />
θ ⇒ θ = 3 ( cosθ<br />
0<br />
− cosθ<br />
)<br />
0<br />
•<br />
2<br />
4. Expression deθ<br />
en utilisant le théorème de conservation de l’énergie :<br />
L’énergie totale à l’instant initiale t = 0 est égale à l’énergie cinétique à un instant<br />
quelconque t : E ( S)<br />
= E ( ) ⇔ E S)<br />
+ E ( S)<br />
= E ( S)<br />
E ( )<br />
à : t = 0<br />
0 t<br />
S<br />
g<br />
L<br />
P 0<br />
(<br />
C0<br />
Pt<br />
+<br />
C t<br />
S<br />
0<br />
L<br />
V ( G)<br />
= 0 ⇒ E0 ( S)<br />
= EP 0<br />
( S)<br />
= mg cosθ<br />
0<br />
2<br />
à : t : L’énergie potentielle est égale à :<br />
E Pt<br />
( S))<br />
= mg<br />
L<br />
cosθ<br />
2<br />
0<br />
0<br />
L’énergie cinétique totale est donnée par : E ( S)<br />
= m⎜V<br />
( G)<br />
⎟ + I ( S).<br />
( Ω ) 2<br />
C t<br />
1<br />
2<br />
⎛<br />
⎝<br />
→<br />
⎞<br />
⎠<br />
2<br />
1<br />
2<br />
Gzz<br />
1<br />
373
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Avec :<br />
2<br />
2<br />
•<br />
→<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ L ⎞<br />
⎜V ( G)<br />
⎟ = ⎜ θ ⎟ et<br />
⎝ ⎠ ⎝ 2 ⎠<br />
2<br />
mL<br />
I Gzz<br />
=<br />
12<br />
E C t<br />
2<br />
•<br />
⎞<br />
⎟<br />
2 • 2 • 2 • 2<br />
1 ⎛ L 1 ⎛ mL ⎞<br />
2 mL 2 mL 2 mL<br />
( S)<br />
= m⎜<br />
θ +<br />
⎜<br />
⎟θ<br />
= θ + θ = θ<br />
2 ⎝ 2 ⎠ 2 ⎝ 12 ⎠ 8 24 6<br />
En égalisant l’énergie totale aux deux instants, nous obtenons :<br />
2 •<br />
L<br />
L mL 2<br />
mg cosθ<br />
0<br />
= mg cosθ<br />
+ θ ⇔<br />
2<br />
2 6<br />
•<br />
2<br />
ce qui donne : θ = 3 ( θ − cosθ<br />
)<br />
g<br />
L<br />
cos 0<br />
L<br />
g cosθ<br />
0<br />
= g cosθ<br />
+ θ<br />
3<br />
•<br />
2<br />
•<br />
2<br />
5. Les réactions R et R en fonction de θ :<br />
A<br />
B<br />
••<br />
3 g<br />
Nous avons : θ = sinθ<br />
2 L<br />
g<br />
L<br />
•<br />
2<br />
et θ = 3 ( θ − cosθ<br />
)<br />
cos 0<br />
• ••<br />
On remplaçant les expressions de θ et θ dans celle de RA<br />
et RB<br />
on les exprime en<br />
fonction de θ :<br />
R A<br />
R A<br />
R A<br />
R A<br />
et<br />
R B<br />
R B<br />
R B<br />
L ⎛ 3 g<br />
g<br />
= mg − m ⎜ sinθ<br />
sinθ<br />
+ 3<br />
0<br />
θ<br />
2 ⎝ 2 L<br />
L<br />
⎞<br />
( cosθ<br />
− cosθ<br />
) cos ⎟<br />
⎠<br />
3g ⎛ 1 2<br />
2 ⎞<br />
= mg − m ⎜ sin θ + cosθ<br />
0<br />
cosθ<br />
− cos θ ⎟<br />
2 ⎝ 2<br />
⎠<br />
3g<br />
⎛ 1<br />
2<br />
2 ⎞<br />
= mg − m ⎜ (1 − cos θ ) + cosθ<br />
0<br />
cosθ<br />
− cos θ ⎟<br />
2 ⎝ 2<br />
⎠<br />
⎡1<br />
9 2 3 ⎤<br />
= mg⎢<br />
+ cos θ − cosθ<br />
0<br />
cosθ<br />
⎣4<br />
4 2 ⎥<br />
⎦<br />
L ⎛ 3 g<br />
g<br />
= m ⎜ sinθ<br />
cosθ<br />
− 3<br />
0<br />
θ<br />
2 ⎝ 2 L<br />
L<br />
⎞<br />
( cosθ<br />
− cosθ<br />
) sin ⎟<br />
⎠<br />
L ⎛ 3g<br />
3g<br />
3g<br />
⎞<br />
= m ⎜ sinθ<br />
cosθ<br />
− cosθ<br />
0<br />
sinθ<br />
+ cosθ<br />
sin sθ<br />
⎟<br />
2 ⎝ 2L<br />
L<br />
L<br />
⎠<br />
3 ⎛ 3<br />
⎞<br />
= mg⎜<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
− cosθ<br />
0<br />
sinθ<br />
⎟<br />
2 ⎝ 2<br />
⎠<br />
374
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
6. Angle pour lequel la barre quitte le mur<br />
Lorsque le barre quitte le mur, la réaction en ce point sera nulle, d’où : R B<br />
= 0<br />
R B<br />
3 ⎛ 3<br />
⎞<br />
= mg⎜<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
− cosθ<br />
0<br />
sinθ<br />
⎟ = 0<br />
2 ⎝ 2<br />
⎠<br />
⎛ 3<br />
⎞ 3<br />
⎛ 2 ⎞<br />
sinθ ⎜ cosθ<br />
− cosθ<br />
0 ⎟ = 0 ⇒ cosθ<br />
= cosθ<br />
0<br />
⇒ θ = Arc cos⎜<br />
cosθ<br />
0 ⎟<br />
⎝ 2<br />
⎠ 2<br />
⎝ 3 ⎠<br />
car pour θ = 0 la barre est en position verticale donc la barre quitte le mur pour :<br />
θ<br />
⎛ 2<br />
Arc cos⎜<br />
⎝ 3<br />
= cosθ<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
Exercice 02 :<br />
Une barre homogène AB = L , de masse m est attachée initialement par son extrémité BB0 par<br />
un fil inextensible à un bâti fixe. L’autre extrémité A 0 repose sur un sol parfaitement lisse.<br />
Soit θ<br />
0<br />
l’angle d’inclinaison initial de la barre avec l’axe vertical<br />
( O1<br />
, y0<br />
)<br />
. A un instant t<br />
quelconque on coupe le fil et la barre tombe sans vitesse initiale. On considère que le<br />
→ →<br />
(<br />
0 0<br />
→ → →<br />
1 (<br />
1 1 1<br />
mouvement se fait dans le plan x , y ) . Soit R A , x , y , z ) un repère lié à la barre tel que<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
( x0 , x1<br />
) = ( y0<br />
, y1)<br />
= θ . On donne OO1 = x x0<br />
et le tenseur d’inertie de la barre en son centre<br />
→<br />
⎡A<br />
0 0⎤<br />
d’inertie G dans le repère R<br />
1<br />
s’écrit : I<br />
G / R<br />
=<br />
⎢<br />
0 0 0<br />
⎥<br />
avec<br />
1 ⎢ ⎥<br />
⎢⎣<br />
0 0 A⎥⎦<br />
R<br />
1<br />
2<br />
mL<br />
A =<br />
12<br />
On prendra le repère fixe<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
comme repère de projection.<br />
1. Déterminer les vecteurs, position, vitesse, accélération absolue du point G ;<br />
2. Appliquer le théorème de la résultante dynamique au point G ; En déduire que le centre G<br />
de la barre reste en mouvement vertical lors de sa chute ;<br />
3. Appliquer le théorème du moment dynamique au point G ;<br />
4. En déduire l’expression de l’accélération angulaire θ en fonction de L, , θ et g .<br />
••<br />
θ •<br />
375
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
y<br />
0<br />
→<br />
y 0<br />
→<br />
y 1<br />
B<br />
B 0<br />
θ 0<br />
R → →<br />
A x<br />
1<br />
• G 0<br />
G<br />
•<br />
θ<br />
θ<br />
O → 1 A<br />
x0<br />
O A 0<br />
Solution :<br />
x(t)<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
R O,<br />
x , y , z ) repère fixe et R A,<br />
x , y , z ) est tel que :<br />
→ • → • →<br />
0<br />
Ω1 = θ z0<br />
= θ z1<br />
1. Vecteurs : position, vitesse et accélération absolue du point G ;<br />
L<br />
2<br />
−−→ −−→ −−→ →<br />
→<br />
OG = OO1 + O1G<br />
= x x0<br />
+ cosθ<br />
y0<br />
−−→<br />
=<br />
OG<br />
⎧<br />
⎪L x<br />
⎨ cosθ ⇒<br />
⎪ 2<br />
R ⎩ 0<br />
0<br />
•<br />
⎧<br />
→ ⎪<br />
L x<br />
•<br />
0<br />
V ( G)<br />
= ⎨−<br />
θ sinθ<br />
;<br />
⎪ 2<br />
R<br />
⎪ 0<br />
⎩<br />
0<br />
••<br />
⎧<br />
⎪<br />
x<br />
→<br />
⎛<br />
••<br />
•<br />
0 L<br />
2 ⎞<br />
γ ( G)<br />
= ⎨−<br />
⎜θ<br />
sinθ<br />
+ θ cosθ<br />
⎟ ;<br />
⎪ 2 ⎝<br />
⎠<br />
⎪ 0<br />
R ⎩<br />
0<br />
2. Théorème de la résultante dynamique au point G ;<br />
La résultante des forces extérieures appliquées à la barre est égale à la masse de la barre par<br />
l’accélération de son centre d’inertie. Le sol est lisse, alors la réaction au point A est suivant<br />
l’axe (O, y) donc normale au plan horizontal.<br />
→<br />
R A<br />
→<br />
→<br />
+ P = mγ 0 ( G)<br />
(1)<br />
La projection de cette équation vectorielle sur les axes donne :<br />
••<br />
••<br />
m x = 0 ⇔ x = 0<br />
(2)<br />
•<br />
L ⎛<br />
••<br />
2 ⎞<br />
R Ay<br />
− P = −m<br />
⎜θ<br />
sinθ<br />
+ θ cosθ<br />
⎟ (3)<br />
2 ⎝<br />
⎠<br />
La barre tombe sans vitesse initiale alors :<br />
Comme<br />
x = Cte<br />
•<br />
x<br />
= 0<br />
⇒<br />
x = Cte<br />
alors le centre d’inertie G de la barre tombe verticalement.<br />
376
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
L’équation (3) s’écrit :<br />
R Ay<br />
•<br />
L ⎛<br />
••<br />
2 ⎞<br />
= mg − m ⎜θ<br />
sinθ<br />
+ θ cosθ<br />
⎟<br />
2 ⎝<br />
⎠<br />
3. Théorème du moment dynamique au point G ;<br />
Le moment des forces extérieures est égal au moment dynamique de la barre.<br />
∑ M ( Fext<br />
) / G = δ<br />
G<br />
( S / R0<br />
)<br />
(4)<br />
i<br />
→<br />
→<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎪<br />
L<br />
sinθ<br />
2<br />
L<br />
→<br />
−→ →<br />
→<br />
∑ M ( Fext<br />
) / G = GA∧<br />
RA<br />
= ⎨−<br />
cosθ<br />
∧ ⎨RAy<br />
= ⎨ 0 = RAy<br />
sinθ<br />
z0<br />
i<br />
2<br />
2<br />
⎪<br />
⎪0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
0<br />
R<br />
0<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
0<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎪L<br />
⎪<br />
R<br />
R ⎩ 2<br />
0<br />
Ay<br />
0<br />
sinθ<br />
Le moment dynamique est égal à la dérivée du moment cinétique au point G :<br />
→<br />
→<br />
0<br />
d σ<br />
G<br />
( S / R )<br />
→<br />
0<br />
δ<br />
G<br />
( S / R0<br />
) =<br />
or nous avons : σ<br />
G<br />
( S / R ) = I<br />
G<br />
dt<br />
2<br />
⎡mL<br />
⎤<br />
⎢ 0 0 ⎥⎛<br />
0⎞<br />
→<br />
12<br />
⎜ ⎟ mL mL<br />
σ<br />
G<br />
( S / R0<br />
)<br />
z<br />
⎢ mL ⎥⎜<br />
⎟ 12 12<br />
0 0 ⎝θ<br />
⎠<br />
R<br />
⎢⎣<br />
12 ⎥⎦<br />
2 • → 2 • →<br />
=<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎢<br />
0 0 0<br />
⎥⎜<br />
0⎟<br />
= θ z1<br />
= θ<br />
0<br />
2 •<br />
1<br />
→<br />
→<br />
0<br />
2<br />
d σ<br />
•• →<br />
G<br />
( S / R0<br />
) mL<br />
δ<br />
G<br />
( S / R0<br />
) = = θ z0<br />
dt 12<br />
→<br />
0<br />
0<br />
. Ω1<br />
L<br />
L<br />
En égalisant les deux expressions on obtient : R<br />
2<br />
••<br />
θ<br />
R = mL<br />
Ay<br />
(5)<br />
6 sinθ<br />
Ay<br />
2<br />
mL<br />
••<br />
sinθ<br />
= θ<br />
12<br />
••<br />
4. Expression de l’accélération angulaire θ en fonction de L, , θ et g .<br />
θ •<br />
En remplaçant l’expression de<br />
décrivant la chute de la barre :<br />
R Ay<br />
dans l’équation (3) on déduit l’équation différentielle<br />
377
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
••<br />
•<br />
mL θ<br />
L ⎛<br />
••<br />
2 ⎞<br />
= mg − m ⎜θ<br />
sinθ<br />
+ θ cosθ<br />
⎟<br />
6 sinθ<br />
2 ⎝<br />
⎠<br />
⇒<br />
••<br />
•<br />
⎛ mL 1 L ⎞ L 2<br />
θ ⎜ + m sinθ<br />
⎟ = mg − m θ cosθ<br />
⎝ 6 sinθ<br />
2 ⎠ 2<br />
d’où<br />
••<br />
θ =<br />
•<br />
2<br />
(2g<br />
− Lθ<br />
cosθ<br />
)<br />
3 sinθ<br />
2<br />
L(1<br />
+ 3sin θ )<br />
Exercice 03 :<br />
Un pendule pesant constitué d’un solide homogène de forme quelconque, de masse m tourne<br />
autour d’un point fixe O lui appartenant. La liaison entre le solide et le bâti est de type<br />
cylindrique. Le pendule est lié au repère<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R1<br />
( O,<br />
x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
en mouvement de rotation par<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
rapport à un repère fixe R O,<br />
x , y , z ) lié au bâti tel que :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
( x0 , x1<br />
) = ( y0<br />
, y1)<br />
= θ<br />
Le tenseur d’inertie du pendule en son centre d’inertie G dans le repère R1<br />
est égale à :<br />
−−→ →<br />
=<br />
1<br />
On donne OG L x avec L= Cte ; R1<br />
est le repère de projection.<br />
1. En utilisant les théorèmes de la résultante dynamique et du moment dynamique, établir<br />
l’équation différentielle du mouvement ;<br />
2. Retrouver l’expression de cette équation en utilisant le théorème de conservation de<br />
l’énergie mécanique totale ;<br />
3. En déduire l’équation différentielle du pendule simple ainsi que sa période.<br />
I<br />
G<br />
→<br />
y 1<br />
O<br />
→<br />
y 0<br />
θ<br />
• G<br />
Solution :<br />
→<br />
x<br />
0<br />
mg<br />
→<br />
x 1<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) repère fixe<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
R A,<br />
x , y , z ) est tel que :<br />
→ • → • →<br />
0<br />
Ω1 = θ z0<br />
= θ z1<br />
378
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Vitesse et accélération du point G :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( G)<br />
= V<br />
⎧0<br />
⎧L<br />
⎧ 0<br />
→ → −−→<br />
•<br />
0<br />
0 ⎪ ⎪ ⎪<br />
( O)<br />
+ Ω1<br />
∧ OG=<br />
⎨0∧<br />
⎨0=<br />
⎨Lθ<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩θ<br />
⎩0<br />
⎩ 0<br />
1<br />
R1<br />
R1<br />
→<br />
0<br />
γ ( G ) =<br />
d<br />
0<br />
→<br />
0<br />
V ( G)<br />
dt<br />
=<br />
→<br />
1 0 →<br />
d V ( G)<br />
0<br />
+ Ω1<br />
∧V<br />
dt<br />
•<br />
⎧<br />
⎪ −<br />
2<br />
⎧ 0 ⎧0<br />
⎧ 0 Lθ<br />
→<br />
••<br />
•<br />
••<br />
0 ⎪ ⎪ ⎪<br />
( G)<br />
= ⎨Lθ<br />
+ ⎨0∧<br />
⎨Lθ<br />
= ⎨ Lθ<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩ 0<br />
R ⎩θ<br />
⎩ 0 0<br />
1<br />
1<br />
R1<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
1<br />
1. Théorème de la résultante dynamique et du moment dynamique au point G ;<br />
1.a. Théorème de la résultante dynamique au point G ;<br />
La résultante des forces extérieures appliquées au solide est égale à la masse du solide par<br />
l’accélération de son centre d’inertie. L’articulation au point O est cylindrique, la réaction a<br />
→ →<br />
(<br />
1 1<br />
deux composantes dans le plan x , y )<br />
→<br />
R O<br />
→<br />
→<br />
+ P = mγ 0 ( G)<br />
(1)<br />
La projection de cette équation vectorielle sur les axes donne :<br />
•<br />
2<br />
R Ox<br />
+ mg cosθ<br />
= −mθ<br />
(2)<br />
••<br />
R Oy<br />
− mg sin θ = mLθ<br />
(3)<br />
1.b. Théorème du moment dynamique au point G ;<br />
Le moment des forces extérieures est égal au moment dynamique de la barre.<br />
∑ M ( Fext<br />
) / G = δ<br />
G<br />
( S / R0<br />
)<br />
(4)<br />
i<br />
→<br />
→<br />
⎧− L<br />
⎧R<br />
Ox<br />
→<br />
−→ →<br />
→<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
∑ M ( Fext<br />
) / G = GO∧<br />
RO<br />
= ⎨ 0 ∧ ⎨ROy<br />
= ⎨ 0 = −LROy<br />
z1<br />
i<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩ 0 ⎩ 0 ⎩−<br />
LR<br />
0<br />
R0<br />
R<br />
Oy<br />
0<br />
Le moment dynamique est égal à la dérivée du moment cinétique au point G :<br />
⎧<br />
0<br />
379
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
→<br />
0<br />
d σ<br />
G<br />
( S / R )<br />
→<br />
0<br />
δ<br />
G<br />
( S / R0<br />
) =<br />
or nous avons : σ<br />
G<br />
( S / R ) = I<br />
G<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
0<br />
d σ<br />
•• →<br />
G<br />
( S / R0<br />
)<br />
δ<br />
G<br />
( S / R0<br />
) = = I<br />
G<br />
θ z0<br />
dt<br />
→<br />
0<br />
0<br />
. Ω1<br />
⇒<br />
→<br />
)<br />
• →<br />
0<br />
= I G 1<br />
σ ( S / R z<br />
G<br />
θ<br />
nous avons ainsi : − LR<br />
=<br />
Oy<br />
I G<br />
••<br />
θ<br />
⇔<br />
1.c. Equation différentielle du mouvement<br />
R<br />
Oy<br />
••<br />
I<br />
G<br />
θ<br />
= −<br />
L<br />
(4)<br />
••<br />
On remplace l’équation (4) dans l’équation (3), on obtient : −<br />
I θ G − mg sin θ = mLθ<br />
L<br />
2<br />
( + I ) + mgLsinθ<br />
= 0<br />
••<br />
••<br />
mgL<br />
θ mL<br />
G<br />
⇔ θ + sinθ<br />
= 0<br />
2<br />
mL +<br />
I G<br />
••<br />
2. Equation différentielle en utilisant le théorème de conservation de l’énergie totale ;<br />
L’énergie totale dans la position 1 est égale à l’énergie totale dans la position 2. : E<br />
1<br />
= E2<br />
E<br />
→<br />
2 → →<br />
•<br />
2<br />
1 ⎛ 0 ⎞ 1 0T<br />
0 1 ⎛ ⎞ 1<br />
1<br />
= m⎜V<br />
( G)<br />
⎟ + Ω1<br />
I<br />
G.<br />
Ω1<br />
= m⎜<br />
Lθ<br />
⎟ + I<br />
G.<br />
2<br />
⎝<br />
⎠<br />
E<br />
2<br />
= mg(<br />
L − Lcosθ<br />
) = mgL(1<br />
− cosθ<br />
)<br />
2<br />
2<br />
1<br />
• 2<br />
•<br />
1<br />
• 2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
mL θ + I<br />
G<br />
. θ = mgL(1<br />
− cosθ<br />
) ⇔ θ ( mL + I<br />
G<br />
) = 2mgL(1<br />
− cosθ<br />
)<br />
2 2<br />
•• •<br />
•<br />
2<br />
En dérivant les deux termes on obtient : 2θ<br />
θ ( + I ) = 2mgLθ<br />
sinθ<br />
⎝<br />
⎠<br />
2<br />
mL<br />
G<br />
θ<br />
•<br />
2<br />
L<br />
L cosθ<br />
1<br />
θ<br />
2<br />
2<br />
( + I ) − mgLsinθ<br />
= 0<br />
••<br />
••<br />
mgL<br />
θ mL<br />
G<br />
⇔ θ + sinθ<br />
= 0<br />
2<br />
mL +<br />
I G<br />
3. Equation différentielle du pendule simple ainsi que sa période.<br />
Dans le cas d’un pendule simple I = 0 , et s’il a de faibles oscillations alors : sin θ ≈ θ<br />
G<br />
••<br />
g<br />
L’équation devient : θ + θ = 0<br />
L<br />
2 g<br />
ω = et<br />
L<br />
2 π<br />
T = = 2 π<br />
ω<br />
L<br />
g<br />
380
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 04 :<br />
Une demi sphère pleine de centre C, de rayon R, de masse M, de centre d’inertie G est<br />
animée d’un mouvement plan par rapport au repère fixe R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
) . Elle est en contact<br />
avec le sol lisse en A et le mur lisse au point B. Elle glisse sans frottement sur les deux points.<br />
→ → →<br />
Le tenseur d’inertie de la demi sphère pleine en son centre C dans le repère R1<br />
( C,<br />
x1,<br />
y1,<br />
z1)<br />
⎡A<br />
0 0⎤<br />
est donné par :<br />
⎢ ⎥<br />
2<br />
I<br />
C / R<br />
=<br />
⎢<br />
0 A 0<br />
⎥<br />
avec<br />
1<br />
A = MR<br />
2 et CG = a<br />
5<br />
⎢⎣<br />
0 0 A⎥⎦<br />
1. Déterminer la vitesse et l’accélération absolue du points G dans R0<br />
et R1<br />
;<br />
2. Déterminer les coordonnées du centre instantané de rotation (CIR) de la demi sphère ;<br />
• ••<br />
3. Calculer les réactions N<br />
A<br />
et N<br />
B<br />
en fonction de θ , θ et θ en utilisant le théorème de<br />
la résultante dynamique ;<br />
4. En utilisant le théorème du moment dynamique trouver l’équation différentielle de<br />
mouvement de la demi sphère;<br />
•<br />
5. En intégrant l’équation de mouvement et en prenant les conditions : θ ( 0) = 0 et θ ( 0) = 0 ,<br />
•<br />
2 2Mga<br />
montrer que l’on a : θ = sinθ<br />
A<br />
•<br />
;<br />
2<br />
6. Retrouver l’expression de θ en utilisant la conservation de l’énergie mécanique totale ;<br />
7. En déduire les expressions des réactions RA<br />
, RB<br />
et de l’angle limite θ<br />
l<br />
pour lequel la<br />
demi sphère pleine quitte le mûr.<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
y<br />
0<br />
→<br />
y 0<br />
→<br />
y<br />
1<br />
→<br />
x<br />
1<br />
→<br />
y 1<br />
→<br />
x<br />
1<br />
B<br />
O<br />
G •<br />
G<br />
C 0<br />
•<br />
A<br />
θ<br />
→<br />
x 0<br />
V<br />
B<br />
→<br />
0<br />
B<br />
O<br />
G<br />
C 0<br />
→<br />
•<br />
R G<br />
B<br />
• →<br />
R<br />
→<br />
P<br />
A<br />
A<br />
θ<br />
→<br />
0<br />
A<br />
V<br />
→<br />
x 0<br />
Solution :<br />
1. Vitesse et accélération absolue du points G dans et R ;<br />
R0<br />
1<br />
A partir du vecteur position du point G nous déduisons la vitesse et l’accélération :<br />
381
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
⎧R<br />
⎧−<br />
a cosθ<br />
⎧R<br />
− a cosθ<br />
−−→ −−→ −−→<br />
⎪ ⎪<br />
⎪<br />
Nous avons : OG = OC+<br />
CG=<br />
⎨R+<br />
⎨−<br />
asinθ<br />
= ⎨R<br />
− asinθ<br />
,<br />
⎪ ⎪<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
R ⎩ 0 R ⎩ 0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
−−→<br />
=<br />
CG<br />
⎧− a<br />
⎪<br />
⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
→ • → • →<br />
0<br />
Ω1 = θ z0<br />
= θ z1<br />
Dans le repère R 0<br />
:<br />
→<br />
0<br />
V<br />
d<br />
( G)<br />
=<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
aθ<br />
sinθ<br />
OG<br />
•<br />
= ⎨−θ<br />
a cosθ<br />
dt ⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
−−→<br />
0<br />
0<br />
⇒<br />
→<br />
0 d<br />
γ ( G)<br />
=<br />
0<br />
→<br />
0<br />
V ( G)<br />
=<br />
dt<br />
0<br />
Dans le repère R 1<br />
:<br />
−−→ −−→<br />
⎧0<br />
⎧− a ⎧ 0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
→ −−→<br />
•<br />
0 d CG d CG 0 ⎪ ⎪ ⎪<br />
V ( G)<br />
= = + Ω1<br />
∧ CG=<br />
⎨0∧<br />
⎨ 0 = ⎨−<br />
aθ<br />
dt dt<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩θ<br />
⎩ 0 ⎩ 0<br />
1<br />
R1<br />
R1<br />
→<br />
0 d<br />
γ ( G ) =<br />
0<br />
→<br />
0<br />
V ( G)<br />
d<br />
=<br />
dt<br />
1<br />
→<br />
0<br />
→<br />
V ( G)<br />
0<br />
+ Ω1<br />
∧V<br />
dt<br />
→<br />
0<br />
R<br />
⎧<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎨−<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩<br />
⎛<br />
••<br />
•<br />
2 ⎞<br />
a⎜θ<br />
sinθ<br />
+ θ cosθ<br />
⎟<br />
⎝<br />
⎠<br />
•<br />
⎛<br />
••<br />
2 ⎞<br />
a⎜θ<br />
cosθ<br />
+ θ sinθ<br />
⎟<br />
⎝<br />
⎠<br />
0<br />
•<br />
⎧ 2<br />
⎧ 0 ⎧0<br />
⎧ 0 ⎪aθ<br />
••<br />
•<br />
••<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
( G)<br />
= ⎨−<br />
aθ<br />
⎨0∧<br />
⎨−<br />
aθ<br />
= ⎨−<br />
aθ<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩ 0 R ⎩θ<br />
⎩ 0 0<br />
1<br />
1<br />
R1<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
2. Coordonnées du centre instantané de rotation (CIR) de la demi sphère ;<br />
Nous pouvons le déterminer de deux façons : l’une graphique et l’autre analytique.<br />
Méthode graphique : Les directions des vitesses des deux points A et B du solide sont<br />
connues, on trace les perpendiculaires à celles-ci au même point, leur intersection est le centre<br />
instantané de rotation. Les deux normales se rencontrent au point C, alors celui-ci est<br />
confondu avec le centre instantané de rotation ( I ≡ C)<br />
.<br />
1<br />
Méthode analytique : La Vitesse du centre instantané de rotation est nulle : soit<br />
coordonnés du C.I.R. dans le repère , nous pouvons aussi écrire :<br />
R 0<br />
( x I<br />
, yI<br />
)<br />
les<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
−→<br />
V ( I ) = V ( G)<br />
+ Ω ∧ GI = 0 ⇔<br />
→<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
aθ<br />
sinθ<br />
•<br />
⎨−θ<br />
a cosθ<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
0<br />
⎧0<br />
⎪<br />
+ ⎨0∧<br />
•<br />
⎪<br />
R ⎩θ<br />
R<br />
0<br />
0<br />
⎧xI<br />
⎪<br />
⎨ yI<br />
⎪<br />
⎩<br />
− R + a cosθ<br />
⎧0<br />
⎪<br />
− R + asinθ<br />
= ⎨0<br />
0<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
0<br />
382
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
•<br />
sin − •<br />
•<br />
aθ<br />
θ θ<br />
I<br />
θ = ⇔ θ y I<br />
− R = 0 ⇒<br />
( y − R + asin<br />
) 0<br />
( )<br />
•<br />
•<br />
•<br />
−θ<br />
a cos θ + θ ( xI − R + a cosθ<br />
) = 0 ⇔ θ ( x I<br />
− R)<br />
= 0 ⇒<br />
y I<br />
= R<br />
x I<br />
= R<br />
On voit bien que le C.I.R. est confondu avec le centre C de la demi sphère.<br />
• ••<br />
3. Réactions RA<br />
et R<br />
B<br />
en fonction de θ , θ et θ par le théorème de la résultante<br />
dynamique<br />
La résultante des forces extérieures appliquées au solide est égale à la masse du solide par<br />
l’accélération de son centre d’inertie :<br />
∑ F<br />
0 i<br />
mγ ( G)<br />
⇔ R R m g m<br />
0 ( G<br />
A<br />
+<br />
B<br />
+ = γ )<br />
i<br />
→<br />
=<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
(1)<br />
Projetons l’équation (1) sur les axes du repère R0<br />
⎛<br />
••<br />
•<br />
2 ⎞<br />
R B<br />
= ma⎜θ<br />
sinθ<br />
+ θ cosθ<br />
⎟<br />
(2)<br />
⎝<br />
⎠<br />
R A<br />
⎛<br />
••<br />
•<br />
2 ⎞<br />
− mg = −ma⎜θ<br />
cosθ<br />
+ θ sinθ<br />
⎟<br />
⎝<br />
⎠<br />
⎛<br />
••<br />
•<br />
2 ⎞<br />
⇔ R A<br />
= mg − ma⎜θ<br />
cosθ<br />
+ θ sinθ<br />
⎟ (3)<br />
⎝<br />
⎠<br />
4. Equation différentielle de mouvement de la demi sphère en utilisant le théorème du<br />
moment dynamique<br />
Le moment résultant des forces extérieures est égal au moment dynamique du solide au même<br />
point C.<br />
∑ M<br />
i<br />
( Fext<br />
) /<br />
C<br />
= δ<br />
C<br />
( S / R0<br />
) ⇔ CA∧<br />
R<br />
( A<br />
+ CB∧<br />
RB<br />
+ CG∧<br />
m g = δ<br />
C<br />
S / R )<br />
0<br />
i<br />
→<br />
→<br />
→<br />
Le moment dynamique est égal à la dérivée du moment cinétique :<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
0<br />
d σ<br />
C<br />
( S / R0<br />
)<br />
δ<br />
C<br />
( S / R0<br />
) =<br />
, le moment cinétique au point C est donné par :<br />
dt<br />
→<br />
C<br />
( S / R0<br />
) = I<br />
C / R1<br />
σ<br />
.<br />
→<br />
0<br />
Ω1<br />
⎡A<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
A<br />
0<br />
→<br />
−→<br />
0⎤⎛<br />
0⎞<br />
⎜ ⎟ •<br />
0<br />
⎥<br />
⎥⎜<br />
0⎟<br />
= Aθ<br />
z<br />
•<br />
A⎥⎜<br />
⎟<br />
⎦⎝θ<br />
⎠<br />
→<br />
0<br />
→<br />
−→<br />
• →<br />
= Aθ<br />
z<br />
1<br />
→<br />
→<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
= ⎜ 0 ⎟<br />
•<br />
⎜ A ⎟<br />
⎝ θ ⎠R<br />
, R<br />
0<br />
1<br />
383
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
→<br />
0<br />
d σ<br />
•• →<br />
C<br />
( S / R0<br />
)<br />
δ<br />
C<br />
( S / R0<br />
) = = Aθ<br />
z0<br />
dt<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
C<br />
(<br />
0<br />
CA∧ R + CB∧<br />
R + CG∧<br />
m g = δ S / R ) comme : CA // R et CB // alors :<br />
A<br />
−→<br />
→<br />
B<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
A<br />
R B<br />
⎛−<br />
a cosθ<br />
⎞ ⎛ 0 ⎞ ⎛ 0 ⎞<br />
−→ → →<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
CG∧ m g = δ<br />
C<br />
( S / R0<br />
) ⇔ ⎜ − asinθ<br />
⎟∧<br />
⎜−<br />
mg ⎟=<br />
⎜ 0 ⎟ d’où :<br />
••<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
R ⎝ 0 ⎠ R ⎝ ⎠ R ⎝ Aθ<br />
⎠<br />
0<br />
0<br />
0<br />
••<br />
mga cosθ = Aθ<br />
ce qui donne :<br />
••<br />
θ =<br />
mga<br />
A<br />
cosθ<br />
(4)<br />
•<br />
5. Equation de mouvement avec les conditions : θ ( 0) = 0 et θ ( 0) = 0 ;<br />
•<br />
On multiplie l’équation (4) par : θ , puis on intègre<br />
• ••<br />
mga<br />
•<br />
θ θ = θ cosθ<br />
A<br />
⇒ 1 •<br />
⎛ ⎞ mga<br />
d ⎜ θ 2 ⎟ = d (sin θ )<br />
⎝ 2 ⎠ A<br />
•<br />
θ • θ<br />
⎛ 1 2 ⎞ mga<br />
∫ d ⎜ θ ⎟ = (sin )<br />
2<br />
∫ d θ ⇒ 1 •<br />
mga<br />
θ 2 = sinθ<br />
0 ⎝ ⎠ A<br />
2 A<br />
0<br />
on déduit alors :<br />
•<br />
2 mga<br />
θ = 2 sinθ<br />
A<br />
(5)<br />
•<br />
2<br />
6. Expression de θ en utilisant la conservation de l’énergie mécanique totale :<br />
EC + EP<br />
= EC0 + EP0<br />
= Cte ⇒ EC<br />
− EC0 = −( EP<br />
− EP0<br />
)<br />
→<br />
→<br />
•<br />
1 0<br />
0 1 2<br />
EC = Ω1<br />
. I<br />
C / R<br />
. Ω1<br />
= Aθ<br />
; E<br />
1 C 0<br />
= 0<br />
2<br />
2<br />
− ( E<br />
θ θ<br />
θ<br />
θ<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ asin<br />
d ⎞<br />
→ −→<br />
θ<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
− EP0 ) = m g •<br />
∫ d OG = m∫⎜−<br />
g ⎟ • ⎜−<br />
a cosθdθ<br />
⎟ = ∫ mga cosθdθ<br />
mgasinθ<br />
0<br />
0 ⎜<br />
0<br />
0 ⎟ ⎜ 0 ⎟<br />
⎝ ⎠ ⎝ ⎠<br />
P<br />
=<br />
E<br />
C<br />
1 •<br />
2<br />
− EC0 = −( EP<br />
− EP0 ) ⇒ A θ = mgasinθ<br />
2<br />
⇔<br />
•<br />
2 mga<br />
θ = 2 sinθ<br />
A<br />
•<br />
2<br />
On retrouve ainsi l’expression de θ .<br />
384
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
7. Expressions des réactions N<br />
A<br />
, N<br />
B<br />
et de l’angle limite θ<br />
l<br />
pour lequel la demi sphère<br />
pleine quitte le mur.<br />
•<br />
••<br />
Il suffit de remplacer les expression de θ et de θ dans celles de RA<br />
et RB<br />
:<br />
R B<br />
2<br />
⎛ mga<br />
mga ⎞ m ga<br />
= ma⎜<br />
cosθ<br />
sinθ<br />
+ 2 sinθ<br />
cosθ<br />
⎟ = 3<br />
⎝ A<br />
A ⎠ A<br />
2<br />
sinθ<br />
cosθ<br />
R A<br />
2<br />
⎛ mga<br />
mga ⎞ m ga<br />
= mg − ma⎜<br />
cosθ<br />
cosθ<br />
+ 2 sinθ<br />
sinθ<br />
⎟ = mg −<br />
⎝ A<br />
A ⎠ A<br />
2<br />
2<br />
2<br />
( cos θ − sin θ )<br />
R A<br />
2<br />
m ga<br />
= mg −<br />
A<br />
2<br />
cos 2θ<br />
La demi sphère quitte le mur si : R = 0 ⇔ sin θ cosθ<br />
= 0 ⇒<br />
B<br />
⎪⎧<br />
θ = 0<br />
⎨ π<br />
θ =<br />
⎪⎩ 2<br />
⇒<br />
π<br />
θ =<br />
2<br />
385
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 05 :<br />
Une barre homogène de longueur AB = 2L , de centre G et de masse m, glisse sans frottement<br />
le long d’un escalier tel que représenté sur la figure. Le point A glisse sur le sol et le point C<br />
sur l’arrête de l’escalier. La position initiale de la barre étant A B 0 0<br />
.<br />
On prendra<br />
R 0<br />
comme repère de projection.<br />
→ → → →<br />
(<br />
0 1 0 1<br />
On donne : OA = x (t) , α = x , x ) = ( y , y ) .<br />
−−→<br />
1. Déterminer les vecteurs : OG , V 0 ( G ) et γ<br />
0 ( G ) ;<br />
2. Appliquer le théorème de la résultante dynamique à la barre ;<br />
3. Appliquer le théorème du moment dynamique à la barre au point G ;<br />
4. Appliquer le théorème de l’énergie cinétique à la barre.<br />
Le tenseur d’inertie de la barre en G dans R 1<br />
est donné par :<br />
→<br />
→<br />
I<br />
G / R1<br />
⎡mL<br />
⎢<br />
3<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢ 0<br />
⎢⎣<br />
2<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
mL<br />
3<br />
2<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥<br />
⎥⎦<br />
R<br />
1<br />
→<br />
y 1<br />
B<br />
B 0<br />
C<br />
→<br />
y 0<br />
G<br />
→<br />
x 1<br />
→<br />
y 1<br />
B<br />
B<br />
0<br />
C<br />
→<br />
y 0<br />
G<br />
→<br />
R<br />
C<br />
→<br />
R<br />
A<br />
→<br />
x 1<br />
O<br />
A 0<br />
A<br />
α<br />
→<br />
x 0<br />
O<br />
→<br />
P<br />
A 0<br />
α<br />
A<br />
α<br />
→<br />
x 0<br />
x(t)<br />
x(t)<br />
Solution :<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) repère fixe ;<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ → → →<br />
(<br />
0 1 0 1<br />
R A,<br />
x , y , z ) tel que : α = x , x ) = ( y , y ) et Ω<br />
→ • → • →<br />
0<br />
1<br />
= α z0<br />
= α z1<br />
385
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
−−→ →<br />
→<br />
1. Vecteurs : OG , V 0 ( G)<br />
et γ<br />
0 ( G)<br />
;<br />
Nous avons :<br />
⎧x<br />
−−→ −−→ −−→<br />
⎪<br />
OG = OA+<br />
AG=<br />
⎨0+<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
R<br />
0<br />
0<br />
⎧−<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
⎩<br />
Lsinα<br />
L cosε<br />
0<br />
=<br />
R<br />
0<br />
⎧x<br />
− Lsinα<br />
⎪<br />
⎨ L cosε<br />
⎪<br />
⎩ 0<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( G)<br />
=<br />
• •<br />
⎧<br />
−−→<br />
⎪<br />
x−<br />
Lα<br />
cosα<br />
0<br />
d OG<br />
•<br />
= ⎨−<br />
Lα<br />
sinα<br />
dt ⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
0<br />
→<br />
0<br />
; γ ( G)<br />
=<br />
d<br />
0<br />
→<br />
0<br />
V ( G)<br />
=<br />
dt<br />
R<br />
0<br />
⎧••<br />
⎛<br />
••<br />
•<br />
2 ⎞<br />
⎪x−<br />
L⎜α<br />
cosα<br />
−α<br />
sinα<br />
⎟<br />
⎪ ⎝<br />
⎠<br />
•<br />
⎪ ⎛<br />
••<br />
2 ⎞<br />
⎨ − L⎜α<br />
sinα<br />
+ α cosα<br />
⎟<br />
⎪ ⎝<br />
⎠<br />
⎪ 0<br />
⎪<br />
⎩<br />
2. Théorème de la résultante dynamique, appliqué à la barre<br />
La résultante des forces extérieures appliquées à la barre est égale à la masse de la barre par<br />
l’accélération de son centre de gravité :<br />
∑ F<br />
0 ext<br />
mγ ( G)<br />
⇔ R R P m<br />
0 ( G<br />
A<br />
+<br />
C<br />
+ = γ )<br />
i<br />
→<br />
=<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
(1)<br />
La projection de l’équation (1) sur les axes de R 0<br />
donne :<br />
R C<br />
R<br />
A<br />
••<br />
⎛<br />
••<br />
•<br />
2 ⎞<br />
cosα<br />
= m x−<br />
mL⎜α<br />
cosα<br />
−α<br />
sinα<br />
⎟<br />
⎝<br />
⎠<br />
+ R<br />
C<br />
⎛<br />
••<br />
•<br />
2 ⎞<br />
sinα<br />
− mg = −mL⎜α<br />
sinα<br />
+ α cosα<br />
⎟<br />
⎝<br />
⎠<br />
(2)<br />
(3)<br />
3. Théorème du moment dynamique, appliqué à la barre au point G ;<br />
Le moment résultant des forces extérieures appliquées à la barre est égal au moment<br />
dynamique de la barre au même point G.<br />
∑ M ( Fext<br />
) /<br />
G<br />
= δ<br />
G<br />
( S / R0<br />
) ⇔ GA∧<br />
RA<br />
+ GC∧<br />
RC<br />
= δ<br />
G<br />
( S / R0<br />
) (4)<br />
i<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
Or le moment dynamique est égal à la dérivée du moment cinétique :<br />
→<br />
→<br />
0<br />
d σ<br />
G<br />
( S / R0<br />
)<br />
δ<br />
G<br />
( S / R0<br />
) =<br />
avec :<br />
dt<br />
−−→<br />
→<br />
−−→<br />
→<br />
→<br />
386
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
2<br />
⎡mL<br />
⎤ ⎡ ⎤<br />
⎢ 0 0 ⎥ ⎡0⎤<br />
→<br />
⎢ 0<br />
3<br />
⎥<br />
mL mL<br />
σ<br />
G<br />
( S / R0<br />
)<br />
z<br />
1<br />
⎢ ⎥ 3 3<br />
⎢ mL<br />
0 0 ⎥ ⎢⎣<br />
α⎥<br />
mL<br />
⎦ ⎢ ⎥<br />
⎢⎣<br />
⎥<br />
R α<br />
1<br />
3 ⎦ R ⎣ 3 ⎦<br />
→<br />
2 • → 2 • →<br />
0<br />
= I<br />
⎢<br />
⎥ ⎢ ⎥<br />
= ⎢ ⎥<br />
G / R<br />
. Ω1<br />
=<br />
⎢<br />
0 0 0<br />
⎥ ⎢<br />
0<br />
= =<br />
• ⎥<br />
0 α z1<br />
α<br />
0<br />
2<br />
2 •<br />
→<br />
→<br />
0<br />
2<br />
d σ<br />
•• →<br />
G<br />
( S / R0<br />
) mL<br />
δ<br />
G<br />
( S / R0<br />
) = = α z0<br />
(5)<br />
dt 3<br />
1<br />
Pour calculer le moment des forces extérieures on doit déterminer les vecteurs : GC et GA :<br />
Nous avons :<br />
sinα<br />
=<br />
x<br />
AC<br />
⇔<br />
x<br />
⎛ x ⎞<br />
AC = donc : GC = AC − AG = ⎜ − L⎟ sinα<br />
⎝ sinα ⎠<br />
−−→<br />
−−→<br />
on obtient :<br />
⎧ ⎛ x ⎞<br />
⎪−<br />
⎜ − L⎟sinα<br />
⎪ ⎝ sinα<br />
⎠<br />
⎧ Lsinα<br />
−−→<br />
⎛ x<br />
−−→<br />
⎞<br />
⎪<br />
GC = ⎨ ⎜ − L⎟cosα<br />
et GA=<br />
⎨−<br />
L cosα<br />
;<br />
⎪ ⎝ sinα<br />
⎠<br />
⎪<br />
⎪ 0<br />
R ⎩ 0<br />
0<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
∑<br />
i<br />
−→<br />
→<br />
M ( F<br />
ext<br />
) /<br />
G<br />
⎧ Lsinα<br />
⎪<br />
= ⎨−<br />
L cosα∧<br />
⎪<br />
R ⎩ 0 R<br />
0<br />
0<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨R<br />
⎪<br />
⎩ 0<br />
A<br />
+<br />
⎧ ⎛ x ⎞<br />
⎪−<br />
⎜ − L⎟sinα<br />
⎪ ⎝ sinα<br />
⎠<br />
⎛ x ⎞<br />
⎨ ⎜ − L⎟cosα<br />
∧<br />
⎪ ⎝ sinα<br />
⎠<br />
⎪ 0 R<br />
⎪<br />
R ⎩<br />
0<br />
0<br />
⎧RC<br />
⎪<br />
⎨RC<br />
⎪<br />
⎩ 0<br />
cosα<br />
sinα<br />
⎧<br />
⎪<br />
−→ →<br />
→<br />
∑ M ( Fext<br />
) /<br />
G<br />
= ⎨<br />
0<br />
= ⎜ LRA<br />
sinα<br />
− RC<br />
⎜ − L⎟⎟<br />
z0<br />
i<br />
sinα<br />
⎪<br />
⎪<br />
LR<br />
R ⎩<br />
0<br />
A<br />
0<br />
sinα<br />
− R<br />
C<br />
⎛ x ⎞<br />
⎜ − L⎟<br />
⎝ sinα<br />
⎠<br />
⎛<br />
⎝<br />
⎛<br />
⎝<br />
x<br />
⎞⎞<br />
⎠⎠<br />
(6)<br />
L’égalité des moments dans les équations (5) et (6) donne :<br />
2 ••<br />
⎛ x ⎞ mL<br />
LRA sinα<br />
− RC<br />
⎜ − L⎟<br />
= α<br />
(7)<br />
⎝ sinα<br />
⎠ 3<br />
387
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
4. Théorème de l’énergie cinétique, appliqué à la barre.<br />
La variation de l’énergie cinétique de la barre est égale au travail des forces extérieures.<br />
dE C<br />
=<br />
dW<br />
⇔<br />
dE C<br />
=<br />
dt<br />
dW<br />
dt<br />
L’énergie cinétique de la barre est donnée par :<br />
E<br />
C<br />
E C<br />
E C<br />
=<br />
=<br />
=<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
1<br />
2<br />
⎛<br />
m⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
•<br />
⎛ 2<br />
m⎜<br />
x<br />
⎝<br />
⎛<br />
m⎜<br />
x<br />
⎝<br />
⎞<br />
( G)<br />
⎟<br />
⎠<br />
+ L<br />
•<br />
2<br />
+<br />
2<br />
+<br />
1<br />
2<br />
→<br />
0T<br />
Ω1<br />
. I<br />
G / R<br />
1<br />
.<br />
→<br />
0<br />
Ω1<br />
2<br />
⎡mL<br />
⎤<br />
⎢ 0 0 ⎥⎡0⎤<br />
• • •<br />
⎞<br />
•<br />
⎛ ⎞⎢<br />
3<br />
2 2<br />
1<br />
α − 2L xα<br />
cosα<br />
⎟ +<br />
⎥⎢<br />
⎥<br />
⎜0,0,<br />
α ⎟<br />
⎝ ⎠⎢<br />
0 0 0<br />
⎥⎢<br />
0<br />
• ⎥<br />
⎠ 2<br />
2<br />
⎢ mL<br />
0 0 ⎥⎢⎣<br />
α⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
3 ⎥⎦<br />
2<br />
L α<br />
•<br />
2<br />
−<br />
• •<br />
⎞<br />
2L xα<br />
cosα<br />
⎟ +<br />
⎠<br />
1<br />
2<br />
2<br />
mL<br />
α<br />
3<br />
•<br />
2<br />
dE C<br />
dt<br />
• •• • •• •• •<br />
• ••<br />
1 ⎛<br />
2 ⎛<br />
= m<br />
⎜2x<br />
x+<br />
2L<br />
αα−<br />
2L⎜<br />
xα<br />
cosα<br />
+ xα<br />
cosα<br />
−<br />
2 ⎝<br />
⎝<br />
Nous avons aussi :<br />
dW<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
= m g • V ( G)<br />
+ R • V ( A)<br />
+ R • V ( C)<br />
,<br />
A<br />
→<br />
→<br />
C<br />
→<br />
• •<br />
2 ⎞⎞<br />
L xα<br />
sinα<br />
⎟ ⎟ +<br />
⎠ ⎠<br />
1<br />
2<br />
2 •<br />
mL 2<br />
α<br />
3<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
→ → →<br />
R A ⊥<br />
mais : R •<br />
0<br />
A<br />
V ( A)<br />
= 0 car V<br />
0 ( A)<br />
et R • V 0 C<br />
( C)<br />
= 0 car ⊥ V 0 ( C)<br />
→<br />
R C<br />
→<br />
dW<br />
dt<br />
= m g<br />
→ →<br />
0<br />
•<br />
V<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
( G)<br />
= ⎨−<br />
mg<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
L’égalité entre les deux termes donne :<br />
0<br />
• •<br />
⎧<br />
⎪<br />
x−<br />
Lα<br />
cosα<br />
•<br />
• ⎨ − Lα<br />
sinα<br />
⎪ 0<br />
R<br />
⎪⎩<br />
0<br />
•<br />
= mgLα<br />
sinα<br />
1 •<br />
2 •<br />
⎛ • •• • ••<br />
2 ⎛<br />
•• •<br />
• ••<br />
•<br />
2 ⎞⎞<br />
1 mL<br />
2 2 α α 2 α cosα<br />
α cosα<br />
α sinα<br />
α<br />
2<br />
•<br />
m ⎜<br />
⎟ + = α sinα<br />
2<br />
x x+ L − L⎜<br />
x + x − L x ⎟<br />
mgL<br />
⎝<br />
⎝<br />
⎠⎠<br />
2 3<br />
• •• • ••<br />
•<br />
2 •<br />
2 ⎛<br />
•• •<br />
• ••<br />
•<br />
2 ⎞ L<br />
•<br />
2<br />
x x+ L α α − L⎜<br />
xα<br />
cosα<br />
+ xα<br />
cosα<br />
− L xα<br />
sinα<br />
⎟ + α = gLα<br />
sinα<br />
⎝<br />
⎠ 6<br />
388
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Exercice 06 :<br />
Un disque plein de rayon a , de masse m roule sans glisser sous l’effet de la gravitation sur<br />
un plan incliné d’un angle α par rapport à l’horizontale. Soit<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
lié au plan incliné, R G,<br />
x , y , z ) lié au centre d’inertie G du disque et R G,<br />
x , y , z ) un<br />
→ →<br />
1<br />
≡ z 2<br />
repère en rotation par rapport à l’axe z tel que x , x ) = ( y , ) = ϕ .<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
) un repère fixe<br />
→ → → →<br />
(<br />
1 2 1<br />
y2<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
A l’instant initial, le disque est immobile. La réaction au point de contact entre le disque et le<br />
→<br />
N<br />
plan incliné a deux composantes, l’une normale au plan incliné, l’autreT tangentielle à ce<br />
dernier.<br />
Le tenseur d’inertie du disque en son centre d’inertie G dans le repère R 2<br />
est donné par :<br />
I<br />
C<br />
⎡A<br />
0 0 ⎤<br />
⎢ ⎥<br />
/ R<br />
=<br />
⎢<br />
0 A 0<br />
⎥<br />
avec<br />
2<br />
⎢⎣<br />
0 0 2A⎥⎦<br />
→<br />
2<br />
Ma<br />
A = ; On prendra R 1<br />
comme repère de projection.<br />
4<br />
1. Déterminer la vitesse V 0 ( G)<br />
et l’accélération γ<br />
0 ( G)<br />
du point G ;<br />
2. Appliquer le théorème de la résultante dynamique au disque ;<br />
3. Appliquer le théorème du moment dynamique au disque ;<br />
4. Trouver une équation scalaire liant les paramètres cinématiques y • ,<br />
•<br />
θ et a et qui<br />
traduisent la condition de roulement sans glissement du disque sur le plan incliné ;<br />
••<br />
••<br />
5. En déduire les expressions de N, T, y et ϕ en fonction de m, g, α et a ;<br />
• •<br />
6. Déterminer l’énergie cinétique du disque en fonction de m, a , y et ϕ ;<br />
•<br />
7. Exprimer l’énergie cinétique du disque en fonction de m et y en tenant compte de la<br />
condition de roulement sans glissement ;<br />
8. En appliquant le théorème de l’énergie cinétique au disque, retrouver l’expression de<br />
•<br />
l’accélération linéaire .<br />
→<br />
→<br />
O<br />
x(t)<br />
→<br />
x<br />
0<br />
G<br />
I I<br />
α<br />
•<br />
y<br />
→<br />
x<br />
1<br />
ϕ<br />
→<br />
x 2<br />
→<br />
y 1<br />
→<br />
y 0<br />
O<br />
y(t)<br />
→<br />
x 0<br />
→<br />
T<br />
→<br />
N<br />
G<br />
I I<br />
→<br />
P<br />
α<br />
→<br />
x<br />
ϕ<br />
1<br />
→<br />
x<br />
→<br />
y<br />
2<br />
1<br />
→<br />
y 0<br />
389
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Solution :<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) repère fixe.<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
R G,<br />
x , y , z ) en translation par rapport à ⇒<br />
R 0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
→<br />
Ω = 0<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
→ → → →<br />
(<br />
1 2 1<br />
y2<br />
R G,<br />
x , y , z ) est tel que : x , x ) = ( y , ) = ϕ et<br />
→ • → • →<br />
1<br />
Ω<br />
2<br />
= ϕ z1<br />
= ϕ z0<br />
⎧0<br />
⎧a<br />
⎧a<br />
−−→ −−→ −−→<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
OG = OI + IG = ⎨y+<br />
⎨0=<br />
⎨y<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩0<br />
R ⎩0<br />
R ⎩0<br />
→<br />
1<br />
1<br />
1. Vitesse V 0 ( G)<br />
et accélération γ<br />
0 ( G)<br />
du point G ;<br />
Par dérivation :<br />
1<br />
→<br />
−−→ −−→<br />
⎧0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
→ −−→ •<br />
0 d OG d OG 0 ⎪<br />
V ( G)<br />
= = + Ω1<br />
∧ OG=<br />
⎨y<br />
; car<br />
dt dt<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
1<br />
→<br />
0<br />
1<br />
→<br />
Ω = 0<br />
→<br />
→<br />
⎧0<br />
→<br />
0 0<br />
1 0<br />
→ →<br />
••<br />
0 d V ( G)<br />
d V ( G)<br />
0 0 ⎪<br />
γ ( G)<br />
= = + Ω1<br />
∧V<br />
( G)<br />
= ⎨y<br />
; car<br />
dt dt<br />
⎪<br />
R ⎩0<br />
2. Théorème de la résultante dynamique appliqué au disque<br />
1<br />
→<br />
0<br />
1<br />
→<br />
Ω = 0<br />
La résultante des forces extérieures appliquées au disque est égale à la masse du disque par<br />
l’accélération de son centre d’inertie.<br />
∑ F<br />
0 ext<br />
mγ ( G)<br />
⇔ T + N + P = mγ<br />
0 ( G)<br />
(1)<br />
i<br />
→<br />
=<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
La projection de cette équation sur les axes du repère R 1<br />
donne deux équations scalaires :<br />
N − mg cos α = 0<br />
(3)<br />
− T + mg sin α = m y (4)<br />
••<br />
3. Théorème du moment dynamique appliqué au disque<br />
Le moment résultant des forces extérieures appliquées au disque est égale au moment<br />
dynamique du disque au même point G .<br />
390
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
∑ M ( F ) /<br />
0 ext G<br />
= δ ( G)<br />
⇔ GI ∧ T + GI ∧ N = δ<br />
0 ( G)<br />
comme GI // N elle devient :<br />
i<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
→<br />
0 G<br />
GI ∧ T = δ (<br />
)<br />
(4)<br />
Exprimons chacun des termes de cette équation :<br />
⎧− a<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
R ⎩aT<br />
−→ →<br />
→<br />
GI ∧ T = 0 ∧ − T = 0 = aT z1<br />
1<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
1<br />
0<br />
Le moment dynamique est égal à la dérivée du moment cinétique, d’où : δ ( G)<br />
=<br />
0<br />
Le moment cinétique du disque est donné par : σ<br />
→<br />
( G)<br />
= I C / R2<br />
→<br />
0<br />
2<br />
. Ω<br />
→<br />
d<br />
0<br />
→<br />
0<br />
σ ( G)<br />
dt<br />
⎡A<br />
0 0⎤⎛<br />
0 ⎞ ⎛ 0 ⎞<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
0<br />
σ ( G)<br />
⎢ ⎥<br />
z<br />
⎢ ⎥⎜<br />
⎟ ⎜ ⎟<br />
R ⎣0<br />
0 A⎦⎝ϕ<br />
⎠ ⎝ Aϕ<br />
⎠<br />
→<br />
0<br />
• → • →<br />
=<br />
⎢<br />
0 A 0<br />
⎥⎜<br />
0 ⎟ = ⎜ 0 ⎟ = Aϕ<br />
z1<br />
= Aϕ<br />
0<br />
•<br />
•<br />
1<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
1 0<br />
•• → 2<br />
d σ ( G)<br />
d σ ( G)<br />
ma<br />
•• →<br />
= = = Aϕ<br />
z1<br />
= ϕ<br />
1<br />
δ ( G)<br />
z car<br />
dt dt<br />
2<br />
En égalisant les deux expressions des moments nous obtenons :<br />
→<br />
0<br />
1<br />
→<br />
Ω = 0<br />
2<br />
ma<br />
••<br />
aT = ϕ ⇒<br />
2<br />
ma<br />
••<br />
T = ϕ (5)<br />
2<br />
4. Equation scalaire liant les paramètres cinématiques x et a et qui traduisent la<br />
condition de roulement sans glissement du disque sur le plan incliné :<br />
La condition de roulement sans glissement est vérifiée si la vitesse du point de contact du<br />
disque et du plan incliné est nulle : V<br />
→<br />
g<br />
→<br />
0<br />
s<br />
→<br />
0<br />
P<br />
• , •<br />
θ<br />
→<br />
( I)<br />
= V ( I)<br />
−V<br />
( I)<br />
= 0<br />
→<br />
V P<br />
→<br />
Or : 0 ( I)<br />
= 0 alors :<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
2<br />
−→<br />
→<br />
( I)<br />
= V ( G)<br />
+ Ω ∧ GI = 0<br />
⎧0<br />
⎧0<br />
⎧− a<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
⎨y+<br />
⎨0∧<br />
⎨ 0 =<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩0<br />
R ⎩ϕ<br />
R ⎩ 0<br />
V s<br />
⎪ ⎩<br />
⎪ ⎨<br />
⎧<br />
1 1<br />
R<br />
1 1<br />
0<br />
0<br />
0<br />
⇔ y<br />
• − a<br />
•<br />
ϕ = 0<br />
(6)<br />
391
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
••<br />
••<br />
5. Expressions de N, T, y et ϕ en fonction de m, g, α et a ;<br />
L’équation (3) donne :<br />
N = mg cosα<br />
L’équation (6)<br />
••<br />
••<br />
y = aϕ<br />
••<br />
•<br />
y •<br />
⇒ ϕ = l’équation (4) devient :<br />
a<br />
••<br />
ma y<br />
••<br />
− + mg sinα = m y<br />
2 a<br />
On déduit :<br />
••<br />
y =<br />
2 g sinα<br />
3<br />
••<br />
2<br />
d’où : ϕ = g sinα<br />
3a<br />
L’équation (5) donne : T<br />
=<br />
mg<br />
sinα<br />
3<br />
• •<br />
6. Energie cinétique du disque en fonction de m, a , y et ϕ ;<br />
L’énergie cinétique totale est égale à l’énergie cinétique de translation + l’énergie cinétique<br />
de rotation :<br />
E<br />
C<br />
=<br />
1<br />
2<br />
⎛<br />
m⎜V<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
( G)<br />
⎟<br />
⎠<br />
2<br />
1<br />
+ Ω<br />
2<br />
→<br />
0T<br />
1<br />
. I<br />
G<br />
( S / R<br />
2<br />
→<br />
0<br />
1<br />
). Ω<br />
E C<br />
=<br />
1<br />
2<br />
m y<br />
•<br />
2<br />
+<br />
⎡A<br />
1<br />
•<br />
⎛ ⎞⎢<br />
⎜0,0,<br />
ϕ ⎟<br />
⎝ ⎠⎢<br />
0<br />
2<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
A<br />
0<br />
0⎤⎛<br />
0 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
0<br />
⎥<br />
⎥⎜<br />
0<br />
A⎥⎜<br />
⎟<br />
⎦⎝ϕ<br />
⎠<br />
⎟ =<br />
•<br />
1<br />
2<br />
m y<br />
•<br />
2<br />
+<br />
1<br />
2<br />
Aϕ<br />
•<br />
2<br />
•<br />
7. Energie cinétique du disque en fonction de m et y en tenant compte de la condition<br />
de roulement sans glissement ;<br />
Nous avons dans l’équation (6) qui exprime le roulement sans glissement :<br />
• •<br />
y = aϕ<br />
on<br />
déduit que :<br />
•<br />
=<br />
y •<br />
ϕ alors l’expression de l’énergie cinétique devient :<br />
a<br />
E C<br />
=<br />
1<br />
2<br />
m y<br />
•<br />
2<br />
+<br />
1<br />
2<br />
ma<br />
2<br />
2<br />
•<br />
2<br />
y<br />
a<br />
2<br />
=<br />
3<br />
4<br />
m y<br />
•<br />
2<br />
E C<br />
=<br />
3<br />
4<br />
m y<br />
•<br />
2<br />
••<br />
8. Expression de l’accélération linéaire y En appliquant le théorème de l’énergie<br />
cinétique au disque<br />
La variation de l’énergie cinétique est égale au travail des forces extérieures :<br />
•<br />
3 2<br />
E C<br />
= m y ⇒<br />
4<br />
dE C 3<br />
= m y y<br />
dt 2<br />
• ••<br />
dE C<br />
=<br />
dt<br />
dW<br />
dt<br />
392
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
dW<br />
dt<br />
dW<br />
dt<br />
dW<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
dW ( T)<br />
dW ( N)<br />
dW ( P)<br />
→<br />
d OI<br />
→<br />
d OI<br />
→<br />
d OG<br />
→ →<br />
= ¨+<br />
+ = T • + N • + m g • = m g • V<br />
0 ( G )<br />
dt dt dt dt dt dt<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
= T • V ( I)<br />
+ N • V ( I)<br />
+ m g • V ( G)<br />
= m g • V ( G)<br />
car<br />
⎛− mg cosα<br />
⎞<br />
→ →<br />
⎜ ⎟<br />
0<br />
= m g • V ( G)<br />
= ⎜ mg sinα<br />
⎟<br />
•<br />
⎜<br />
R 0 ⎟<br />
⎝ ⎠<br />
1<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−→<br />
⎛ 0⎞<br />
⎜ • ⎟ •<br />
⎜ y⎟<br />
= mg y sinα<br />
⎜<br />
R<br />
0⎟<br />
⎝ ⎠<br />
1<br />
→<br />
−→<br />
→<br />
V 0 ( I)<br />
= 0<br />
L’égalité des deux expressions donne :<br />
3 • ••<br />
m y y mg y<br />
•<br />
••<br />
2<br />
= sinα<br />
⇔ y = g sinα<br />
2<br />
3<br />
Exercice 07 :<br />
Le concasseur d’un moulin à huile est constitué d’une roue homogène (S) de masse m, de<br />
rayon R, de centre de masse G . La roue a une liaison pivot au point G avec une tige<br />
horizontale de masse négligeable O 1 G , soudée à un arbre vertical OA en rotation à une<br />
•<br />
vitesse angulaire constante : ψ = Cte . L’arbre OA est maintenu vertical par deux liaisons,<br />
l’une sphérique en O et l’autre cylindrique en A. On suppose que toutes les liaisons sont sans<br />
frottement.<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
La roue roule sans glissement sur le plan horizontal fixe lié au repère R O,<br />
x , y , z ) .<br />
Le repère<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
R G,<br />
x , y , z ) est lié à la tige O1G ; le repère R G,<br />
x , y , z ) est lié à la roue.<br />
Le tenseur d’inertie de la roue en son centre d’inertie G dans le repère est donné par :<br />
R 2<br />
I<br />
G / R1<br />
⎡2A<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
A<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
A⎥⎦<br />
R , R<br />
1<br />
2<br />
avec :<br />
2<br />
mR<br />
A =<br />
4<br />
•<br />
1. En appliquant la condition de roulement sans glissement au point I, exprimer θ en<br />
•<br />
fonction de ψ ;<br />
2. Déterminer le moment dynamique au point O 1 de la roue ;<br />
3. Appliquer le théorème du moment dynamique au point O 1 à la roue ;<br />
393
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
•<br />
4. Exprimer l’action du plan sur la roue en fonction de m, R et ψ ;<br />
5. Exprimer le couple gyroscopique agissant sur la roue dans le repère R 1<br />
.<br />
A<br />
→<br />
z 0<br />
→<br />
z 1<br />
θ<br />
z<br />
→<br />
2<br />
O 1<br />
L<br />
→<br />
y<br />
1<br />
O<br />
G<br />
→<br />
y<br />
0<br />
→<br />
x 0<br />
ψ<br />
I<br />
→<br />
→<br />
x , x 1 2<br />
Solution :<br />
→ → →<br />
0<br />
(<br />
0 0 0<br />
R O,<br />
x , y , z ) repère fixe.<br />
→ → →<br />
1( 1 1 1<br />
•<br />
⎧<br />
0<br />
⎪ − θ<br />
⎧<br />
• → • →<br />
−→ →<br />
⎪<br />
= ψ z<br />
1−θ<br />
x2<br />
= ⎨ 0 ; GI = −R z1=<br />
⎨ 0 ;<br />
•<br />
⎪ ψ<br />
⎪<br />
⎪<br />
⎩−<br />
R<br />
⎩<br />
R1<br />
R<br />
→ → → →<br />
→ • → • →<br />
0<br />
x1,<br />
x0<br />
) = ( y1,<br />
y0<br />
) = ψ<br />
1<br />
= ψ z1<br />
= ψ z1<br />
R G,<br />
x , y , z ) est tel que : ( ⇒ Ω<br />
→ → →<br />
2<br />
(<br />
2 2 2<br />
→ → → →<br />
(<br />
1 2 1<br />
y2<br />
R G,<br />
x , y , z ) est tel que : z , z ) = ( y , ) = θ ⇒<br />
→<br />
0<br />
2<br />
Ω<br />
1<br />
→ • → • →<br />
1<br />
Ω<br />
2<br />
= −θ<br />
x1<br />
= −θ<br />
x2<br />
⎧L<br />
−→ → →<br />
⎪<br />
OG = L x1<br />
+ R z1=<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩R<br />
⎧0<br />
⎧L<br />
⎧ 0<br />
→<br />
→ → −→<br />
•<br />
0<br />
0<br />
0 ⎪ ⎪ ⎪<br />
V ( G)<br />
= V ( O)<br />
+ Ω1<br />
∧ OG=<br />
⎨0<br />
∧ ⎨0<br />
= ⎨Lψ<br />
avec : V<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩ψ<br />
R ⎩R<br />
R ⎩ 0<br />
1<br />
1<br />
1<br />
→<br />
0<br />
1<br />
→<br />
( O)<br />
= 0<br />
•<br />
•<br />
1. Expression de θ en fonction de ψ ;<br />
La condition de roulement sans glissement au point de contact entre la roue et le sol signifie<br />
que la vitesse de glissement de ce point de contact est nulle :<br />
→ →<br />
→<br />
0<br />
0<br />
( I)<br />
V ( I ∈ S)<br />
−V<br />
( I ∈ R0<br />
V g<br />
= ) = 0 or nous avons : V<br />
→<br />
0<br />
alors : V ( I ∈ S)<br />
⇔ V<br />
→<br />
0<br />
→<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
2<br />
−→<br />
( I ∈ S)<br />
= V ( G)<br />
+ Ω ∧ GI = 0<br />
→<br />
0<br />
( I R0<br />
→<br />
→<br />
∈ ) = 0<br />
394
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
•<br />
⎧<br />
⎧ 0<br />
⎧ ⎧<br />
⎪ − θ 0 0<br />
•<br />
• •<br />
⎪<br />
⎪ ⎪<br />
⎨Lψ + ⎨ 0 ∧ ⎨ 0 = ⎨0<br />
⇔ Lψ − Rθ = 0<br />
•<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩ 0 ψ ⎩−<br />
R<br />
⎪<br />
⎩0<br />
1 ⎩<br />
R1<br />
R1<br />
R<br />
1<br />
⇒<br />
•<br />
L<br />
•<br />
θ = ψ<br />
R<br />
(1)<br />
2. Moment dynamique au point O 1 de la roue :<br />
L’arbre étant de masse négligeable, le moment dynamique du système se réduit au moment<br />
dynamique de la roue. Le moment dynamique est égal à la dérivée du moment cinétique,<br />
→<br />
d’où : δ ( S / R ) =<br />
O1<br />
0<br />
d<br />
0<br />
→<br />
σ ( S / R )<br />
O1<br />
dt<br />
0<br />
→<br />
→ −−→ →<br />
O1 0 O1<br />
/ R2<br />
1 1<br />
G<br />
0<br />
0<br />
Le moment cinétique de la roue est donné par : σ ( S / R ) = I . Ω + O G∧<br />
mV ( )<br />
σ<br />
→<br />
O 1<br />
( S / R<br />
•<br />
•<br />
⎛ ⎞<br />
⎛<br />
⎡2A<br />
0 0⎤⎜<br />
− θ ⎟ ⎛ L⎞<br />
⎛ 0 ⎞ ⎜−<br />
2Aθ<br />
⎜ ⎟ ⎜ •<br />
⎢ ⎥⎜<br />
⎟<br />
⎟<br />
+ ∧ =<br />
⎜<br />
0<br />
) =<br />
⎢<br />
0 A 0<br />
⎥<br />
0<br />
⎜ ⎟ ⎜ 0 ⎟ m⎜<br />
Lψ<br />
⎟ m 0<br />
•<br />
⎜<br />
⎢ ⎥⎜<br />
⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
R ⎣ 0 0 A⎦<br />
ψ ⎝ 0 ⎠ ⎝ 0 ⎠ ⎜<br />
1<br />
⎝ ⎠<br />
⎝<br />
→<br />
0<br />
1<br />
→ d σ<br />
O<br />
( S / R0<br />
) d σ ( S / R0<br />
)<br />
→ →<br />
1<br />
O1<br />
0 0<br />
δ<br />
O<br />
( S / R0<br />
) = =<br />
+ Ω1<br />
∧ σ ( G)<br />
;<br />
1<br />
dt<br />
dt<br />
→<br />
⎞<br />
•<br />
( + ) ⎟ ⎟⎟⎟ 2<br />
A mL ψ<br />
⎠<br />
d<br />
1<br />
→<br />
σ<br />
O<br />
( S / R0<br />
)<br />
1<br />
dt<br />
→<br />
= 0<br />
• •<br />
, car ψ et θ sont constantes, on obtient alors :<br />
⎛<br />
•<br />
⎛ 0 ⎞ ⎜−<br />
2Aθ<br />
⎟ ⎛ 0 ⎞<br />
→ ⎜ ⎟<br />
⎜ • • ⎟<br />
• • →<br />
δ ∧<br />
⎜<br />
⎟<br />
O<br />
(S/R0 ) = ⎜ 0 ⎟ 0<br />
= ⎜−<br />
2Aθ ψ ⎟ = −2Aθ ψ y<br />
1 • ⎜<br />
1<br />
•<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ψ<br />
⎠<br />
⎜<br />
⎝<br />
2<br />
( A + mL )<br />
ψ<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠<br />
⎜<br />
⎝<br />
0<br />
⎟<br />
⎠<br />
(2)<br />
3. Théorème du moment dynamique au point O 1 à la roue ;<br />
Le moment résultant des forces extérieures appliquées à la roue est égal au moment<br />
dynamique de la roue au même point O 1<br />
.<br />
∑ M ( Fext<br />
) /<br />
O<br />
= δ ( S / R0<br />
)<br />
1 O<br />
⇔<br />
1<br />
i<br />
→<br />
→<br />
→<br />
−−→ → −−→ →<br />
• • →<br />
1G∧ m g+<br />
O1I<br />
∧ RI<br />
= −2Aθ ψ y1<br />
O<br />
395
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
⎧L<br />
⎧ 0 ⎧ L ⎧ 0<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
⎨0 ∧ ⎨ 0 + ⎨ 0 ∧ ⎨ 0 = ( mg − RI<br />
) L y<br />
⎪ ⎪ ⎪ ⎪<br />
R ⎩0<br />
R ⎩−<br />
mg R ⎩−<br />
R R ⎩RI<br />
1<br />
1<br />
1<br />
1<br />
→<br />
1<br />
(3)<br />
• •<br />
L’égalité des expressions donne : mg − RI L = −2Aθ<br />
ψ (4)<br />
( )<br />
•<br />
4. Action du plan sur la roue en fonction de m, R et ψ ;<br />
A partir de l’équation (4) on déduit :<br />
( − R )<br />
• •<br />
mg<br />
I<br />
L = −2 Aθ ψ ⇒<br />
•<br />
L<br />
•<br />
θ = ψ<br />
R<br />
et<br />
2<br />
mR<br />
A = d’où :<br />
4<br />
2A<br />
R I<br />
= mg + θ ψ<br />
L<br />
• •<br />
or nous avons d’après l’équation (1)<br />
2<br />
2 mR L<br />
• •<br />
R I<br />
= mg + . . ψ . ψ on aboutit à :<br />
L 4 R<br />
R I<br />
mR<br />
= mg + .<br />
2 ψ<br />
•<br />
2<br />
5. Couple gyroscopique agissant sur la roue dans le repère R 1<br />
.<br />
Dans le cas de ce mouvement composé de deux rotations, la rotation propre de la roue se fait<br />
→<br />
1<br />
autour de l’axe O , x ) à la vitesse de rotation : = −θ<br />
et la précession se fait autour de<br />
(<br />
1 1<br />
→<br />
→<br />
(<br />
0 1 1<br />
→ • →<br />
Ω<br />
2<br />
x1<br />
→ • →<br />
Ω1 z1<br />
0<br />
l’axe O,<br />
z ) //( O , z ) à la vitesse de rotation : = ψ .<br />
Le moment gyroscopique est donné par la relation :<br />
−→<br />
M<br />
gyros<br />
•<br />
⎧<br />
⎧0<br />
→<br />
→<br />
→ →<br />
• • →<br />
⎪ − θ<br />
1 0 ⎪<br />
= I<br />
axe de rotation propre<br />
Ω<br />
propre<br />
∧ Ω<br />
précession<br />
= I<br />
x<br />
Ω<br />
2<br />
∧ Ω1<br />
= 2A.<br />
⎨0<br />
∧ . ⎨ 0 = 2A<br />
y<br />
1x1<br />
1<br />
• R<br />
θ ψ<br />
1<br />
⎪<br />
⎩ψ<br />
⎪ 0<br />
⎪⎩<br />
−→<br />
M gyros<br />
• • →<br />
= 2Aθ<br />
ψ y1<br />
396
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
CHAPITRE X<br />
DYNAMIQUE D’UN SOLIDE<br />
EN ROTATION AUTOUR D’UN AXE<br />
397
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
DYNAMIQUE D’UN SOLIDE<br />
EN ROTATION AUTOUR D’UN AXE<br />
1. Mouvement de rotation d’un solide autour d’un axe fixe<br />
C’est le mouvement le plus important dans la mécanique. Le fonctionnement de toutes les<br />
machines est basé sur un mouvement de rotation autour d’un axe : rotors, machines<br />
tournantes, vilebrequins, roues etc…<br />
Ce mouvement de rotation génère des vibrations mécaniques au niveau des paliers de fixation,<br />
si l’axe de rotation n’est pas équilibré. Les paliers sont des liaisons rotoïdes (articulations<br />
cylindriques) entre le solide et le bâti fixe. Ces vibrations sont à l’origine de l’usure des<br />
paliers, provoquée par les contraintes mécaniques dues à la liaison entre l’axe de rotation et le<br />
palier.<br />
Pour éviter ces inconvénients, il est nécessaire d’étudier et de trouver les conditions<br />
d’équilibrage du système afin que les contraintes soient minimales et allonger la durée de vie<br />
des paliers.<br />
2. Equations du mouvement<br />
2.1 Paramétrage du mouvement<br />
On choisit un repère fixe orthonormé direct<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
lié au bâti tel que l’axe vertical<br />
−→<br />
Oz , soit confondu avec l’axe de rotation (Δ)<br />
. Soit R ( O,<br />
x , y , z ) un repère lié au solide<br />
0<br />
→ →<br />
z 0 ≡ s<br />
(S), tel que z . Le solide est en mouvement de rotation autour de l’axe z avec<br />
→<br />
• →<br />
ψ 0<br />
• →<br />
0<br />
une vitesse : Ω = z = ψ z tel que le centre d’inertie du solide soit dans le plan Ox z s<br />
) ,<br />
s<br />
s<br />
s<br />
→<br />
s<br />
→<br />
s<br />
→<br />
s<br />
→ →<br />
z 0 ≡ s<br />
(<br />
s<br />
avec :<br />
−−→ → → → →<br />
OG = a xs<br />
+ b z<br />
s<br />
= a xs<br />
+ b z0<br />
L’orientation du solide (S) lié au repère R ( O,<br />
x , y , z ) est définie par l’angle :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
ψ = ( x0<br />
, xs<br />
) = ( y0<br />
, ys<br />
)<br />
s<br />
→<br />
s<br />
→<br />
s<br />
→<br />
s<br />
398
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
La matrice de passage du repère<br />
le repère R 0<br />
est donnée par :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
x s<br />
= cosψ<br />
x0 + sinψ<br />
y0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
y s<br />
= −sinψ<br />
x0 + cosψ<br />
y0<br />
→ →<br />
z s = z 0<br />
R s<br />
vers<br />
a : distance du centre d’inertie G à l’axe (Δ)<br />
b : distance de G au plan ( Ox y 0 0<br />
)<br />
o<br />
→<br />
z 0 ≡<br />
a<br />
x<br />
b<br />
→<br />
z<br />
s<br />
(S)<br />
G<br />
ψ<br />
→<br />
y<br />
s<br />
→<br />
y<br />
0<br />
→<br />
x 0<br />
ψ<br />
→<br />
x<br />
s<br />
2.2 Torseur cinématique<br />
C] 0<br />
Le torseur cinématique du solide [ relatif au mouvement de rotation du solide par rapport<br />
au repère est défini par ces éléments de réduction :<br />
R 0<br />
La résultante cinématique :<br />
Le moment au point O :<br />
→ → • →<br />
0<br />
R = Ω<br />
s<br />
= ψ z0<br />
→ →<br />
0<br />
0<br />
V ( O<br />
M<br />
→<br />
= ) = 0<br />
2.3 Vecteurs vitesse et accélération du point G, centre de masse du solide<br />
Sa position est définie précédemment par : OG<br />
−−→ → →<br />
= a xs<br />
+ b z<br />
s<br />
Sa vitesse peut être déterminée dans le repère R s<br />
de deux manières :<br />
- par dérivation :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( G)<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎛a⎞<br />
−−→ −−→<br />
0<br />
s<br />
→<br />
d OG d OG<br />
−−→ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ • ⎟ • →<br />
0<br />
= = + Ω<br />
s<br />
∧ OG = ⎜ 0 ⎟ ∧ ⎜ 0⎟<br />
= ⎜aψ<br />
⎟ = aψ<br />
ys<br />
•<br />
dt<br />
dt<br />
- par composition des vitesses :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( G)<br />
⎛ 0 ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎛a⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎛<br />
0<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎝ψ ⎠ ⎝b⎠<br />
⎝ 0<br />
→<br />
→ −−→<br />
• • →<br />
0<br />
0<br />
= V ( O)<br />
+ Ω<br />
s<br />
∧ OG = ⎜ 0 ⎟ ∧ ⎜0⎟<br />
= ⎜aψ<br />
⎟ = aψ<br />
ys<br />
•<br />
⎛<br />
⎜<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎝ψ ⎠ ⎝b⎠<br />
⎝ 0<br />
0 ⎞<br />
⎟<br />
Dans le repère , la vitesse aura pour expression : V<br />
R 0<br />
⎟<br />
⎠<br />
→<br />
0<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
• → • →<br />
= −aψ<br />
sinψ<br />
x0<br />
+ aψ<br />
cosψ<br />
0<br />
( G)<br />
y<br />
Le vecteur accélération de G s’obtient aisément en dérivant l’expression de la vitesse.<br />
399
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Dans le repère R s<br />
:<br />
Dans le repère R 0<br />
:<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
• → •• →<br />
0 d V ( G)<br />
2<br />
( G)<br />
= = −aψ<br />
xs<br />
+ aψ<br />
ys<br />
γ<br />
→<br />
0<br />
dt<br />
•<br />
→<br />
→ ••<br />
→<br />
→<br />
2<br />
= −aψ<br />
(cosψ<br />
x0<br />
+ sinψ<br />
) y0<br />
+ aψ<br />
( −sinψ<br />
x0<br />
+ cosψ<br />
)<br />
0<br />
γ ( G)<br />
y<br />
→<br />
0<br />
••<br />
•<br />
→ ••<br />
•<br />
→<br />
2<br />
2<br />
= −a(<br />
ψ sinψ<br />
+ ψ cosψ<br />
) x0<br />
+ a(<br />
ψ cosψ<br />
−ψ<br />
sinψ<br />
)<br />
0<br />
γ ( G)<br />
y<br />
Elle peut aussi être obtenue en dérivant l’expression du vecteur vitesse, dans le repère R 0<br />
.<br />
3. Etude cinétique<br />
Ces éléments cinématiques nous permettent de déterminer les torseurs cinétiques et<br />
dynamiques. Afin de simplifier le problème nous choisirons de déterminer les moments<br />
cinétiques et dynamiques au point O appartenant à l’axe de rotation.<br />
3.1 Torseur cinétique<br />
Le solide (S) étant quelconque, sa matrice d’inertie en O dans le repère lié au solide s’écrira :<br />
I<br />
O<br />
⎡ A<br />
( S)<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
− F<br />
⎢⎣<br />
− E<br />
− F<br />
B<br />
− D<br />
− E⎤<br />
− D<br />
⎥<br />
⎥<br />
C ⎥⎦<br />
R<br />
s<br />
Les éléments de réduction du torseur cinétique au point O s’écriront dans R s<br />
:<br />
La résultante cinétique :<br />
→ →<br />
• →<br />
0<br />
P = mV ( G)<br />
= maψ<br />
ys<br />
Le moment cinétique au point O :<br />
→<br />
σ ( S)<br />
o<br />
−−→ →<br />
→<br />
0<br />
0<br />
= mOG∧V<br />
( O)<br />
+ I<br />
0<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
Comme la vitesse du point O , est nulle alors le moment cinétique aura pour expression :<br />
⎡ A − F − E⎤<br />
⎡0⎤<br />
→<br />
σ ( S)<br />
0<br />
o<br />
→<br />
• → • → • →<br />
0<br />
= I<br />
⎢<br />
⎥ ⎢ ⎥<br />
0<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
=<br />
⎢<br />
− F B − D<br />
⎥ ⎢<br />
= − − +<br />
• ⎥<br />
Eψ<br />
is<br />
Dψ<br />
js<br />
Cψ<br />
zs<br />
⎢⎣<br />
− E − D C ⎥⎦<br />
R<br />
⎢⎣<br />
ψ ⎥⎦<br />
s<br />
Rs<br />
3.2 Torseur dynamique<br />
Les éléments de réduction du torseur dynamique au point O s’écriront dans R s<br />
:<br />
La résultante dynamique :<br />
→ →<br />
• → •• →<br />
0<br />
2<br />
D = mγ<br />
( G)<br />
= −maψ<br />
xs<br />
+ maψ<br />
ys<br />
Le moment cinétique au point O :<br />
→<br />
δ ( S)<br />
=<br />
o<br />
d<br />
o<br />
→<br />
σ ( S)<br />
o<br />
dt<br />
400
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
δ ( S)<br />
o<br />
→<br />
→<br />
s<br />
0 →<br />
→<br />
• →<br />
→<br />
d ( I<br />
0<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
) 0<br />
0<br />
0 0<br />
0<br />
= + Ω<br />
s<br />
∧ I<br />
0<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
= I<br />
0<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
+ Ω<br />
s<br />
∧ I<br />
0<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
dt<br />
⎡ A − F − E⎤<br />
⎡0⎤<br />
⎡0⎤<br />
⎡ A − F − E⎤<br />
⎡0⎤<br />
→<br />
δ<br />
o<br />
( S)<br />
=<br />
⎢<br />
F B D<br />
⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎢<br />
F B D<br />
⎥ ⎢ ⎥<br />
⎢<br />
− −<br />
⎥ ⎢<br />
0<br />
⎥<br />
+<br />
⎢<br />
0<br />
⎥ ⎢<br />
− −<br />
⎥ ⎢<br />
0<br />
••<br />
•<br />
• ⎥<br />
⎢⎣<br />
− E − D C ⎥⎦<br />
R<br />
⎢⎣<br />
ψ ⎥⎦<br />
R<br />
⎢⎣<br />
ψ ⎥⎦<br />
R<br />
⎢⎣<br />
− E − D C ⎥⎦<br />
R<br />
⎢⎣<br />
ψ ⎥⎦<br />
R<br />
→<br />
o<br />
•• • → •• • → •• →<br />
2<br />
2<br />
= ( −Eψ<br />
+ Dψ<br />
) is<br />
− ( Dψ<br />
+ Eψ<br />
js<br />
+ Cψ<br />
zs<br />
δ ( S)<br />
)<br />
s<br />
s<br />
s<br />
s<br />
s<br />
le moment dynamique peut être exprimé dans la base<br />
→<br />
⎡<br />
⎤<br />
δ<br />
o<br />
( S)<br />
⎢<br />
⎥ i<br />
⎣<br />
⎦<br />
•• •<br />
•• •<br />
→<br />
2<br />
2<br />
= ( −Eψ<br />
+ Dψ<br />
)cosψ<br />
+ ( Dψ<br />
+ Eψ<br />
)sinψ<br />
0<br />
R 0<br />
en utilisant la matrice de passage.<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
•• •<br />
•• •<br />
→ •• →<br />
2<br />
2<br />
+ ( −Eψ<br />
+ Dψ<br />
)sinψ<br />
− ( Dψ<br />
+ Eψ<br />
)cosψ<br />
j0<br />
+ Cψ<br />
z0<br />
3.3 Energie cinétique<br />
Comme le solide a un mouvement de rotation pur autour d’un axe (Δ)<br />
confondu avec l’axe<br />
→ →<br />
z s ≡ z 0<br />
, son énergie cinétique est donnée par :<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
E<br />
E<br />
0<br />
c<br />
0<br />
c<br />
⎛<br />
1 ⎜<br />
=<br />
2<br />
⎜<br />
⎝V<br />
→<br />
Ω<br />
0<br />
s<br />
→<br />
0<br />
→<br />
⎞⎛<br />
0 ⎞<br />
⎟⎜V<br />
( G)<br />
⎟ 1<br />
⎟ = Ω<br />
→<br />
⎜<br />
⎟ 2<br />
( O)<br />
⎠⎝<br />
σ<br />
0<br />
( S)<br />
⎠<br />
→<br />
0<br />
s<br />
→<br />
1<br />
σ<br />
0<br />
( S)<br />
= Ω<br />
2<br />
→<br />
0T<br />
s<br />
1 • → • → • →<br />
1<br />
→<br />
•<br />
T<br />
2 T<br />
1<br />
= ψ z I ( )<br />
( )<br />
2<br />
s 0<br />
S ψ zs<br />
= ψ zs<br />
I<br />
0<br />
S zs<br />
= ψ I<br />
2<br />
2<br />
2<br />
0<br />
→<br />
0<br />
s<br />
I ( S)<br />
Ω<br />
zz<br />
( S)<br />
0 Ec<br />
=<br />
1 Cψ<br />
2<br />
•<br />
2<br />
4. Les différentes actions mécaniques exercées sur le solide<br />
Le solide est soumis à l’action de pesanteur due à son propre poids, aux actions de liaisons au<br />
niveau des articulations qui sont intermédiaire entre le bâti fixe et le solide, mais aussi à une<br />
action motrice où de freinage qui permet de mettre le solide en mouvement ou de le freiner<br />
s’il est déjà en mouvement.<br />
4.1 Action de pesanteur<br />
Au point G centre d’inertie du solide, l’action de pesanteur est représentée par le torseur<br />
ayant pour éléments de réduction :<br />
→<br />
⎧<br />
⎪R<br />
p<br />
= −mg z<br />
⎨ → →<br />
⎪⎩ M<br />
G<br />
= 0<br />
→<br />
s<br />
401
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Par la formule de transport nous pouvons exprimer le moment au point O, il est donné par :<br />
⎛a⎞<br />
⎛ 0 ⎞<br />
→<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
M<br />
O<br />
⎜ ⎟ ⎜ 0 ⎟<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝b⎠<br />
⎝−<br />
mg ⎠<br />
→ −−→ → −−→ →<br />
→<br />
= M<br />
G<br />
+ OG∧<br />
R<br />
p<br />
= OG∧<br />
R<br />
p<br />
= 0 ∧ = mga ys<br />
Dans le repère R 0<br />
, il s’écrira :<br />
→<br />
M O<br />
→<br />
→<br />
= −mga<br />
sinψ<br />
x0 + mga cosψ<br />
y0<br />
4.2 Action due à la liaison rotoïde entre le bâti fixe et le solide<br />
L’action de liaison entre le solide et le bâti est représentée par un torseur dont les éléments de<br />
→<br />
→<br />
⎧<br />
⎪ RL<br />
= RLx<br />
x0<br />
+ RLy<br />
y<br />
réduction sont : ⎨ −→<br />
→<br />
⎪<br />
⎩M<br />
LO<br />
= M<br />
Lx<br />
x0<br />
+ M<br />
→<br />
0<br />
Ly<br />
+ R<br />
Lz<br />
→<br />
0<br />
→<br />
z<br />
0<br />
y + M<br />
Lz<br />
Les composantes de l’action de liaison sont déterminées à partir des équations finales qui<br />
égalisent le moment dynamique au moment des actions extérieures. La nature de l’articulation<br />
et le point de calcul du moment peuvent réduire le nombre d’inconnues dans les équations du<br />
mouvement.<br />
4.3 Action due au couple moteur ou au couple de freinage<br />
Le solide peut être mis ou maintenu en mouvement de rotation à l’aide d’un couple moteur. Si<br />
le solide est déjà en mouvement, pour l’arrêter, il faut aussi appliquer un couple de freinage.<br />
Le moment appliqué pour mettre le solide en rotation ou pour l’arrêter est toujours porté par<br />
l’axe de rotation.<br />
Dans ce cas, le couple moteur ou le couple de freinage sera représenté par un torseur dont les<br />
→<br />
z<br />
0<br />
éléments de réduction sont :<br />
→ →<br />
⎧<br />
⎪Rm<br />
= 0<br />
⎨ →<br />
⎪⎩ M<br />
O<br />
= Γ<br />
m<br />
→<br />
z<br />
s<br />
= Γ<br />
m<br />
→<br />
z<br />
0<br />
La valeur du couple moteur ou de freinage<br />
5. Principe fondamental de la dynamique<br />
Γ<br />
m<br />
est connue.<br />
Le principe fondamental de la dynamique dans un repère Galiléen traduit l’égalité entre le<br />
torseur des actions extérieures appliquées au solide et le torseur dynamique du solide.<br />
Nous avons ainsi dans le repère R 0<br />
:<br />
→ →<br />
⎧<br />
⎪⎧<br />
D ⎪ R<br />
p<br />
⎨ → = ⎨ →<br />
⎪⎩ δ<br />
o<br />
( S)<br />
⎪⎩ M<br />
0<br />
⎧<br />
⎪ R<br />
+ ⎨<br />
⎪⎩ M<br />
→<br />
L<br />
→<br />
LO<br />
⎧<br />
⎪R<br />
+ ⎨<br />
⎪⎩ Γ<br />
→<br />
m<br />
→<br />
m<br />
⇒<br />
→ → →<br />
⎧<br />
⎪ D = R<br />
p<br />
+ RL<br />
+ R<br />
⎨ →<br />
→<br />
⎪⎩ δ<br />
o<br />
( S)<br />
= M<br />
0<br />
+ M<br />
→<br />
m<br />
→<br />
LO<br />
→<br />
+ Γ<br />
m<br />
402
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
••<br />
•<br />
2<br />
− ma ( ψ sinψ<br />
+ ψ cosψ<br />
) = R Lx<br />
••<br />
•<br />
2<br />
ma ( ψ cosψ<br />
−ψ<br />
sinψ<br />
) = R Ly<br />
…………………(1)<br />
…………………(2)<br />
0 = −mg + RLz<br />
………………(3)<br />
•• •<br />
•• •<br />
2<br />
2<br />
( −E ψ + Dψ<br />
)cosψ<br />
+ ( Dψ<br />
+ Eψ<br />
) sinψ<br />
= M Lx<br />
…………………(4)<br />
•• •<br />
•• •<br />
2<br />
2<br />
( −E ψ + Dψ<br />
)sinψ<br />
− ( Dψ<br />
+ Eψ<br />
) cosψ<br />
= mga + M Ly<br />
……………(5)<br />
••<br />
Cψ<br />
=<br />
M Lz<br />
+ Γ<br />
m<br />
………………(6)<br />
Nous avons 06 équations avec 07 inconnues :<br />
ψ , R , R , R , M , M , M<br />
Lx<br />
Ly<br />
Lz<br />
Lx<br />
Ly<br />
Lz<br />
Une septième équation sera donnée par la nature physique de la liaison et elle permettra de<br />
résoudre le système d’équation complètement.<br />
L’équation (6) permet de déterminer la valeur de ψ et en la remplaçant dans les autres<br />
équations on déduit les valeurs de toutes les inconnues.<br />
6. Equilibrage statique et dynamique des rotors et des roues<br />
6.1 Mouvements de rotation autour d’un axe fixe d’un solide non équilibré<br />
Soit un rotor ou une roue (S) assimilé à un disque de rayon R et d’épaisseur e . On choisit un<br />
repère fixe<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R0<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
)<br />
lié au bâti fixe. Le rotor (S) est lié au bâti par l’intermédiaire de<br />
deux paliers ( P 1<br />
) et ) de centres respectifs et tel que l’axe P P 1<br />
soit confondu<br />
( P 2<br />
P1<br />
P2<br />
2<br />
−→<br />
avec l’axe de rotation Oz 0<br />
. Pour construire un trièdre direct on considère que l’axe Ox 0<br />
est<br />
vertical ascendant.<br />
On suppose que le rotor est non équilibré, le centre de masse du rotor n’est pas situé sur l’axe<br />
de rotation et ses coordonnées ne sont pas connues au départ.<br />
−→<br />
On choisit un second repère<br />
s<br />
→<br />
R ( O,<br />
x<br />
s<br />
→<br />
, y<br />
s<br />
→<br />
, z<br />
s<br />
) de même centre O et lié au rotor. Son<br />
mouvement de rotation est repéré à chaque instant par un angle<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→<br />
ψ = ( x0<br />
, xs<br />
) = ( y0<br />
, ys<br />
)<br />
avec<br />
→ • → • →<br />
0<br />
Ω s<br />
= ψ z s<br />
= ψ z0<br />
→ →<br />
z s ≡ 0<br />
car z .<br />
Le vecteur position du centre de masse du rotor est donné dans le repère<br />
s<br />
→<br />
R ( O,<br />
x<br />
s<br />
→<br />
, y<br />
s<br />
→<br />
, z<br />
s<br />
)<br />
par :<br />
−−→ → → →<br />
= a xs<br />
+ b ys<br />
+ c z<br />
s<br />
OG<br />
403
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
x<br />
s<br />
ψ<br />
→<br />
x<br />
0<br />
(S)<br />
o<br />
P1<br />
G<br />
x<br />
P<br />
2<br />
a<br />
→<br />
z 0 ≡<br />
→<br />
z<br />
s<br />
→<br />
y<br />
0<br />
ψ<br />
→<br />
y<br />
s<br />
L<br />
1<br />
L 2<br />
6.2 Etude cinétique du mouvement<br />
La matrice de passage du repère vers le repère R est donnée par :<br />
Rs<br />
0<br />
→<br />
x s<br />
→<br />
y s<br />
→<br />
→<br />
= cosψ<br />
x0 + sinψ<br />
y0<br />
→<br />
→<br />
= −sinψ<br />
x0 + cosψ<br />
y0<br />
→ →<br />
z s = z 0<br />
La matrice d’inertie du solide au point O dans la base<br />
s<br />
→<br />
R ( O,<br />
x<br />
s<br />
→<br />
, y<br />
s<br />
→<br />
, z<br />
s<br />
)<br />
est une matrice<br />
quelconque de la forme :<br />
I<br />
O<br />
⎡ A<br />
( S)<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
− F<br />
⎢⎣<br />
− E<br />
− F<br />
B<br />
− D<br />
− E⎤<br />
− D<br />
⎥<br />
⎥<br />
C ⎥⎦<br />
R<br />
Le vecteur position du centre de masse du solide dans cette même base s’écrit :<br />
−−→ → → →<br />
OG = a xs<br />
+ b ys<br />
+ c z<br />
s<br />
La vitesse du centre de masse G se déduit par dérivation de cette expression :<br />
→<br />
0<br />
V<br />
( G)<br />
•<br />
−−→ −−→<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛a⎞<br />
⎜ bψ<br />
⎟<br />
0<br />
s<br />
→<br />
d OG d OG<br />
−−→ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
•<br />
⎟<br />
• → • →<br />
0<br />
= = + Ω<br />
s<br />
∧ OG = ⎜ 0 ⎟ ∧ ⎜b⎟<br />
= ⎜ aψ<br />
⎟ = −bψ<br />
xs<br />
+ aψ<br />
ys<br />
•<br />
dt<br />
dt<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜<br />
⎝ψ ⎠ ⎝ c ⎠<br />
0<br />
⎝<br />
s<br />
⎛ −<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎠<br />
404
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Dans la base R 0<br />
le vecteur vitesse s’écrirait :<br />
→<br />
•<br />
→<br />
→ •<br />
→<br />
→<br />
0<br />
( G)<br />
= −bψ<br />
(cosψ<br />
x0<br />
+ sinψ<br />
y0<br />
) + aψ<br />
( −sinψ<br />
x0<br />
+ cosψ<br />
y0<br />
)<br />
V<br />
→<br />
•<br />
•<br />
→ •<br />
•<br />
→<br />
0<br />
( G)<br />
= −(<br />
bψ<br />
cosψ<br />
+ aψ<br />
sinψ<br />
) x0<br />
+ ( aψ<br />
cosψ<br />
− bψ<br />
sinψ<br />
) y0<br />
)<br />
V<br />
Le vecteur accélération s’obtient dans R s<br />
en dérivant encore une fois le vecteur vitesse :<br />
→<br />
0<br />
•• → • → •• → • → •• • → •• • →<br />
2<br />
2<br />
2<br />
2<br />
= −bψ<br />
xs<br />
− bψ<br />
ys<br />
+ aψ<br />
ys<br />
− aψ<br />
xs<br />
= −(<br />
bψ<br />
+ aψ<br />
) xs<br />
+ ( aψ<br />
− bψ<br />
ys<br />
γ ( G )<br />
)<br />
Dans la base R 0<br />
le vecteur accélération aura pour expression :<br />
→<br />
0 ⎡<br />
⎤<br />
γ ( G)<br />
⎢<br />
⎥ x<br />
⎣<br />
⎦<br />
•• •<br />
•• •<br />
→<br />
2<br />
2<br />
= − ( bψ<br />
+ aψ<br />
)cosψ<br />
+ ( aψ<br />
− bψ<br />
)sinψ<br />
0<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
•• •<br />
•• •<br />
→<br />
2<br />
2<br />
+ − ( bψ<br />
+ aψ<br />
)sinψ<br />
+ ( aψ<br />
− bψ<br />
)cosψ<br />
y0<br />
Le torseur cinétique a pour éléments de réduction dans la base R s<br />
:<br />
→<br />
=<br />
La résultante cinétique : P mV 0 ( G)<br />
→<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
Le moment cinétique :<br />
→ → −−→ →<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
= σ<br />
G<br />
+ mOG∧V<br />
( O)<br />
= σ<br />
G<br />
= I<br />
O<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
σ<br />
Le torseur dynamique a pour éléments de réduction dans la base R s<br />
:<br />
→<br />
La résultante dynamique : D = m γ 0 ( G )<br />
→<br />
→<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
→<br />
•• •<br />
•• •<br />
2<br />
2<br />
D = −m<br />
( bψ<br />
+ aψ<br />
)cosψ<br />
+ ( aψ<br />
− bψ<br />
) sinψ<br />
xs<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
•• •<br />
•• •<br />
→<br />
2<br />
2<br />
+ m − ( bψ<br />
+ aψ<br />
)sinψ<br />
+ ( aψ<br />
− bψ<br />
) cosψ<br />
ys<br />
Le moment dynamique :<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
→<br />
→<br />
→<br />
→ 0<br />
s → →<br />
• →<br />
→<br />
d σ<br />
0<br />
d σ<br />
0 0<br />
0 0<br />
0<br />
0<br />
= = + Ω<br />
s<br />
∧ σ<br />
0<br />
= I<br />
O<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
+ Ω<br />
s<br />
∧ I<br />
O<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
δ<br />
⎡ A − F − E⎤<br />
⎡0⎤<br />
⎡0⎤⎡<br />
A − F − E⎤<br />
⎡0⎤<br />
→<br />
δ<br />
⎢<br />
⎥ ⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢<br />
⎥ ⎢ ⎥<br />
0<br />
=<br />
⎢<br />
− F B − D<br />
⎥ ⎢<br />
0<br />
⎥<br />
+<br />
⎢<br />
0<br />
⎥⎢<br />
− F B − D<br />
⎥ ⎢<br />
0<br />
•• •<br />
• ⎥<br />
⎢⎣<br />
− E − D C ⎥⎦<br />
R<br />
⎢⎣<br />
ψ ⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
ψ ⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
− E − D C ⎥⎦<br />
⎢⎣<br />
ψ ⎥⎦<br />
s<br />
R s<br />
dt<br />
dt<br />
405
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→ •• → •• → •• → • → • →<br />
2<br />
2<br />
0<br />
= −Eψ<br />
xs<br />
+ Dψ<br />
ys<br />
+ Cψ<br />
zs<br />
− Dψ<br />
xs<br />
− Eψ<br />
ys<br />
δ<br />
→<br />
•• • → •• • → •• →<br />
2<br />
2<br />
0<br />
= ( −Eψ<br />
+ Dψ<br />
) xs<br />
− ( Dψ<br />
+ Eψ<br />
ys<br />
+ Cψ<br />
zs<br />
δ )<br />
Dans la base R 0<br />
, le moment dynamique a pour expression :<br />
→<br />
•• •<br />
→<br />
→ •• •<br />
→<br />
→ •• →<br />
2<br />
2<br />
0<br />
= ( −Eψ<br />
+ Dψ<br />
)(cosψ<br />
x0<br />
+ sinψ<br />
y0<br />
) − ( Dψ<br />
+ Eψ<br />
)( −sinψ<br />
x0<br />
+ cosψ<br />
y0<br />
+ Cψ<br />
zs<br />
δ )<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
→<br />
•• •<br />
•• •<br />
→<br />
2<br />
2<br />
0<br />
= ( −Eψ<br />
+ Dψ<br />
)cosψ<br />
+ ( Dψ<br />
+ Eψ<br />
) sinψ<br />
x0<br />
δ<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
•• •<br />
•• •<br />
→<br />
2<br />
2<br />
+ ( −Eψ<br />
+ Dψ<br />
)sinψ<br />
− ( Dψ<br />
+ Eψ<br />
)cosψ<br />
y0<br />
•• →<br />
+ Cψ z<br />
s<br />
6.3 Actions mécaniques extérieures exercées sur le rotor<br />
Les actions mécaniques extérieures exercées sur le rotor sont de trois natures différentes :<br />
- l’action de pesanteur due au poids du rotor ;<br />
- l’action de liaison entre le rotor et le bâti au niveau des paliers ;<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
- l’action due au couple moteur si le rotor doit être maintenu en mouvement ou au couple de<br />
freinage si on doit arrêter le mouvement de rotation.<br />
6.3.1. Action de pesanteur<br />
L’action de pesanteur est représentée par un torseur dont les éléments de réduction sont :<br />
La résultante des actions de pesanteurs :<br />
→<br />
R p<br />
→<br />
= −mg x0<br />
Le moment résultant de ces actions au point G est nul :<br />
→ →<br />
= 0 , en appliquant la formule<br />
M G p<br />
R 0<br />
de transport dans la base , on déduit le moment au point O :<br />
→<br />
M<br />
Op<br />
→ −→ →<br />
= M<br />
Gp<br />
+ OG∧<br />
R<br />
p<br />
→<br />
M Op<br />
⎛a<br />
cosψ<br />
− bsinψ<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎜<br />
⎟<br />
⎝ c ⎠<br />
⎛− mg ⎞<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎜ ⎟<br />
⎝ 0 ⎠<br />
→<br />
→<br />
= asinψ<br />
+ b cosψ<br />
∧ 0 = −mgc<br />
y0 + mg(<br />
asinψ<br />
+ bcosψ<br />
) z0<br />
406
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
6.3.2. Action de liaison entre solide et Bâti au niveau du palier<br />
( P 1<br />
)<br />
L’action de liaison est une force dont la ligne d’action passe par le point<br />
P 1<br />
centre du palier.<br />
Cette action est représentée par un torseur dont les éléments de réduction au point O sont :<br />
→<br />
→ → →<br />
1<br />
=<br />
1x<br />
0 1y<br />
0 1z<br />
z0<br />
La résultante de l’action de liaison : R R x + R y + R ,<br />
→ →<br />
Le moment de l’action de liaison en est nul : = 0 ; en appliquant la formule de<br />
P 1<br />
M P1<br />
transport, on déduit le moment au point O dans la base :<br />
R 0<br />
→ → −→ →<br />
O1 = M<br />
P1+<br />
OP1<br />
∧ R1<br />
M<br />
→<br />
M<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ R1x<br />
⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
→<br />
→<br />
= ⎜ ⎟ ∧ ⎜ R1<br />
y ⎟ = −L1<br />
R1<br />
y<br />
x0<br />
+ L1R1<br />
x<br />
y0<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ L1<br />
⎠ ⎝ R1<br />
z ⎠<br />
O 1<br />
0<br />
6.3.3. Action de liaison entre solide et Bâti au niveau du palier<br />
De la même manière que précédemment, l’action de liaison est une force dont la ligne<br />
d’action passe par le point<br />
P 2<br />
centre du palier.<br />
Cette action est représentée par un torseur dont les éléments de réduction au point O sont :<br />
→<br />
→ → →<br />
2<br />
=<br />
2x<br />
0 2 y 0 2z<br />
z0<br />
La résultante de l’action de liaison : R R x + R y + R ,<br />
P 2<br />
→<br />
M P2<br />
Le moment de l’action de liaison en est nul : = 0 ; en appliquant la formule de<br />
→<br />
( P 2<br />
)<br />
transport, on déduit le moment au point O dans la base :<br />
R 0<br />
→ → −→ →<br />
O2 = M<br />
P2<br />
+ OP2<br />
∧ R2<br />
M<br />
→<br />
M<br />
⎛ 0 ⎞ ⎛ R2x<br />
⎞<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
→<br />
→<br />
= ⎜ ⎟ ∧ ⎜ R2<br />
y ⎟ = −L2R2<br />
y<br />
x0<br />
+ L2R2x<br />
y0<br />
⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎝ L2<br />
⎠ ⎝ R2z<br />
⎠<br />
O 2<br />
0<br />
6.3.4. Action du couple moteur<br />
Le couple moteur permet de mettre en mouvement de rotation le rotor ou le maintenir s’il est<br />
déjà en mouvement, il est représenté par un torseur dont les éléments de réduction sont :<br />
La résultante des forces motrices :<br />
→ →<br />
R m = 0<br />
→<br />
→<br />
Le moment résultant au point O : M Γ z , le moment est porté par l’axe de rotation.<br />
Om<br />
=<br />
m 0<br />
407
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
6.3.5. Application des théorèmes généraux de la dynamique au rotor<br />
Le torseur dynamique du rotor est égal à la somme des torseurs des actions extérieures. Cette<br />
égalité nous donne les deux équations vectorielles qui donneront les 6 équations scalaires de<br />
la dynamique qui décrivent le mouvement du rotor.<br />
→ → → →<br />
⎧<br />
⎪ D = R<br />
p<br />
+ R1<br />
+ R2<br />
+ R<br />
⎨ → → → →<br />
⎪<br />
⎩δ<br />
0<br />
= M<br />
Op<br />
+ M<br />
O1+<br />
M<br />
→<br />
m<br />
O2<br />
→<br />
+ M<br />
Cette égalité se traduit par :<br />
Om<br />
⎡<br />
•• •<br />
•• •<br />
2<br />
2 ⎤<br />
− m⎢( bψ + aψ<br />
)cosψ<br />
+ ( aψ<br />
− bψ<br />
)sinψ<br />
⎥ = R1<br />
x<br />
+ R2x<br />
− mg ……………………….(1)<br />
⎣<br />
⎦<br />
⎡<br />
⎢<br />
⎣<br />
⎤<br />
ψ ⎥<br />
………………………..(2)<br />
⎦<br />
•• •<br />
•• •<br />
2<br />
2<br />
m − ( b + aψ<br />
)sinψ<br />
+ ( aψ<br />
− bψ<br />
)cosψ<br />
= R1<br />
y<br />
+ R2<br />
y<br />
0 = +<br />
………………………..(3)<br />
R1<br />
z<br />
R2z<br />
⎡<br />
•• •<br />
•• •<br />
2<br />
2 ⎤<br />
⎢( −Eψ + Dψ<br />
)cosψ<br />
+ ( Dψ<br />
+ Eψ<br />
)sinψ<br />
⎥ = −L1<br />
R1<br />
y<br />
− L2R2<br />
y<br />
………………………..(4)<br />
⎣<br />
⎦<br />
⎡<br />
•• •<br />
•• •<br />
2<br />
2 ⎤<br />
⎢( −Eψ + Dψ<br />
)sinψ<br />
− ( Dψ<br />
+ Eψ<br />
)cosψ<br />
⎥ = −mgc<br />
+ L1<br />
R1<br />
x<br />
+ L2R2x<br />
……………………(5)<br />
⎣<br />
⎦<br />
••<br />
Cψ<br />
= mg( a sinψ<br />
+ b cosψ<br />
) + Γ<br />
m<br />
……………...(6)<br />
Comme le couple moteur est connu, la dernière relation qui est l’équation du mouvement<br />
permet de déterminer la valeur de ψ en fonction du temps.<br />
Connaissant ψ , les autres variables sont déterminées, notamment les composantes des<br />
actions de liaison au niveau des paliers.<br />
Les équations (1), (2), (4), (5) permettent de déduire facilement par multiplication par<br />
L 1<br />
ou<br />
L 2<br />
et puis soustraction de déterminer les valeurs de :<br />
⎡<br />
⎢−<br />
mg(<br />
c − L<br />
⎣<br />
=<br />
1 •• •<br />
••<br />
2<br />
R ) + ( ψ − ψ )sinψ<br />
+ ( ψ +<br />
2<br />
1 x<br />
2<br />
E2<br />
D2<br />
D2<br />
E2<br />
L2<br />
− L1<br />
⎡<br />
•• •<br />
2<br />
⎢(<br />
D2<br />
ψ + E2ψ<br />
)sinψ<br />
+ ( −E<br />
⎣<br />
••<br />
R =<br />
1 ψ +<br />
2<br />
1 y<br />
2<br />
D2<br />
L2<br />
− L1<br />
•<br />
⎤<br />
ψ ) cosψ<br />
⎥<br />
⎦<br />
•<br />
⎤<br />
ψ ) cosψ<br />
⎥<br />
⎦<br />
408
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
⎡<br />
•• •<br />
••<br />
2<br />
⎢mg(<br />
c − L1<br />
) + ( −E1ψ<br />
+ D1<br />
ψ )sinψ<br />
+ ( D1<br />
ψ −<br />
⎣<br />
R =<br />
1 2<br />
2 x<br />
E1<br />
L2<br />
− L1<br />
⎡<br />
•• •<br />
••<br />
2<br />
⎢−<br />
( D1<br />
ψ + E1ψ<br />
)sinψ<br />
+ ( E1ψ<br />
−<br />
⎣<br />
R =<br />
1 2<br />
2 y<br />
D1<br />
L2<br />
− L1<br />
avec : E1 = E − maL 1<br />
; E2 E − maL2<br />
;<br />
•<br />
⎤<br />
ψ ) cosψ<br />
⎥<br />
⎦<br />
= D1 D − mbL1<br />
•<br />
⎤<br />
ψ ) cosψ<br />
⎥<br />
⎦<br />
= ; D2 = D − mbL2<br />
••<br />
•<br />
2<br />
Ces composantes agissant sur l’axe du rotor, dépendent de ψ , ψ mais surtout de ψ qui peut<br />
atteindre des valeurs assez élevées rapidement. Ses actions génèrent des vibrations aux<br />
niveaux des paliers, ce qui réduit leur durée de vie et conduisent à une usure prématurée des<br />
pièces mécaniques en rotation.<br />
6.3.6. Principe de l ‘équilibrage statique et dynamique<br />
Pour éviter ces problèmes d’usure et allonger la durée de vie des paliers et des axes, il faut<br />
que les actions aux niveaux des liaisons soient réduites au minimum ou nulles.<br />
Les expressions précédentes montrent que les actions de liaison ont des valeurs minimales<br />
⎛ a = b = 0 ⎞<br />
lorsque nous avons les conditions suivantes : ⎜ ⎟<br />
⎝ D = E = 0⎠<br />
• a = b = 0 : implique que le centre de masse du rotor est situé sur l’axe de rotation du<br />
rotor. On dit alors que l’on a réalisé l’équilibrage statique. Le rotor a un équilibre statique<br />
indifférent.<br />
• D = E = 0 : les produits d’inertie sont nuls, et l’axe de rotation est un axe principal<br />
d’inertie.<br />
Lorsque les deux conditions sont réunies, on dit que l’on a réalisé un équilibrage dynamique.<br />
Dans ce cas les actions de liaisons sont réduites à :<br />
R1<br />
x<br />
R2<br />
x<br />
( c − L<br />
mg<br />
)<br />
2<br />
= −<br />
; R1 y<br />
= 0<br />
L2<br />
− L1<br />
( c − L )<br />
1<br />
= mg<br />
; R2 y<br />
= 0<br />
L2<br />
− L1<br />
En réalité, les machines tournantes, les rotors, les axes, …etc , sont équilibrés lors de la<br />
construction, et l’équilibrage est affiné par la suite par ajout de petites masses ponctuelles<br />
dans des plans orthogonaux à l’axe de rotation afin de ramener le centre d’inertie de<br />
l’ensemble sur l’axe de rotation et d’éliminer les produits d’inertie qui sont la source des<br />
vibrations.<br />
409
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Dans la pratique, lorsqu’une machine tournante fonctionne pendant un certain nombre<br />
d’années, elle perd les caractéristiques mécaniques initiales et des vibrations apparaissent.<br />
Pour les éliminer, on procède alors à un équilibrage. Celui-ci est réalisé à l’aide d’un système<br />
électronique (accéléromètres) permettant de mesurer les accélérations absolues ou relatives de<br />
paliers. Le signal électrique enregistré permet par une analyse de relever le spectre vibratoire<br />
et déterminer la nature du défaut qui a conduit à la vibration. Des calculs permettent de<br />
déterminer les valeurs des paramètres de l’équilibrage.<br />
7. Rotation d’un solide autour d’un point fixe : Angles d’Euler<br />
On considère un repère fixe orthonormé direct<br />
→<br />
→<br />
→<br />
R O<br />
( O,<br />
x0<br />
, y0<br />
, z0<br />
) et un solide (S) fixé au centre<br />
)<br />
O de ce repère. On choisit un repère orthonormé direct<br />
s<br />
→<br />
R ( O,<br />
x<br />
s<br />
→<br />
, y<br />
s<br />
→<br />
, z<br />
s<br />
lié au solide tel que<br />
les axes<br />
→<br />
s<br />
→<br />
s<br />
→<br />
Ox , Oy , Oz<br />
s<br />
soient des axes principaux d’inertie.<br />
Les axes du repère<br />
sont repérés par les angles d’Euler par rapport au repère fixe<br />
Rs<br />
R0<br />
Le mouvement instantané du solide est composé de trois rotations exprimées par les angles<br />
d’Euler<br />
ψ , θ , ϕ .<br />
→<br />
z<br />
s<br />
•<br />
ϕ<br />
→<br />
z 0<br />
(S)<br />
x<br />
G<br />
θ<br />
o<br />
ψ<br />
→<br />
y 1<br />
→<br />
y 0<br />
→<br />
x<br />
0<br />
ψ<br />
→<br />
x 1,2<br />
→ • → • →<br />
Ω1 0<br />
z1<br />
0<br />
- la première rotation de vitesse angulaire = ψ z = ψ autour de l’axe<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
s’appelle : la précession du solide ;<br />
1<br />
- la seconde rotation de vitesse angulaire Ω θ x = θ autour de l’axe<br />
s’appelle : la nutation du solide ;<br />
→ • → • →<br />
2<br />
=<br />
1<br />
x2<br />
→ • → • →<br />
2<br />
s<br />
= ϕ z 2<br />
= ϕ z s<br />
- la troisième rotation de vitesse angulaire Ω autour de l’axe<br />
→ →<br />
x 1 ≡ x 2<br />
→ →<br />
z 2 ≡ z s<br />
s’appelle : la rotation propre du solide ;<br />
410
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
La vitesse de rotation instantanée du solide par rapport au repère R 0<br />
est donnée par :<br />
→ → → → • → • → • →<br />
0 2 1 0<br />
Ω<br />
s<br />
= Ω<br />
s<br />
+ Ω2<br />
+ Ω1<br />
= ϕ z2<br />
+ θ x1<br />
+ ψ z0<br />
Son expression dans le repère R s<br />
lié au solide est déjà déterminée en cinématique du solide :<br />
•<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
ψ sinθ<br />
sinϕ<br />
+ θ cosϕ<br />
→ •<br />
•<br />
0<br />
Ω<br />
s<br />
= ⎨ψ<br />
sinθ<br />
cosϕ<br />
−θ<br />
sinϕ<br />
; on pose<br />
• •<br />
⎪<br />
⎪ϕ+<br />
ψ cosθ<br />
⎩<br />
→<br />
0<br />
Ω<br />
s<br />
⎛Ω<br />
⎜<br />
= ⎜Ω<br />
⎜<br />
⎝Ω<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠R<br />
s<br />
La matrice d’inertie du solide est connue au point O dans le repère<br />
s<br />
→<br />
R ( O,<br />
x<br />
s<br />
→<br />
, y<br />
s<br />
→<br />
, z<br />
s<br />
) , elle est<br />
de la forme :<br />
I<br />
O<br />
⎡A<br />
0 0⎤<br />
( S)<br />
=<br />
⎢<br />
B<br />
⎥<br />
⎢<br />
0 0<br />
⎥<br />
;<br />
⎢⎣<br />
0 0 C⎥⎦<br />
R<br />
Nous traduirons les éléments cinétiques dans la même base.<br />
s<br />
Le moment cinétique du solide au point O est donné dans le repère R s<br />
par la relation :<br />
→<br />
→ −−→ →<br />
→<br />
0<br />
0<br />
0<br />
0<br />
( O)<br />
= I<br />
O<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
+ OG∧<br />
mV ( O)<br />
= I<br />
O<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
σ<br />
⎡A<br />
→<br />
0<br />
σ ( O)<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
B<br />
0<br />
0⎤<br />
⎛Ω<br />
⎜<br />
0<br />
⎥<br />
⎥ ⎜Ω<br />
C⎥<br />
⎜<br />
⎦ R ⎝Ω<br />
s<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠R<br />
s<br />
⎛ AΩ<br />
⎜<br />
= ⎜ BΩ<br />
⎜<br />
⎝CΩ<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠R<br />
s<br />
Le moment dynamique se déduit par dérivation :<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
0 0<br />
→ →<br />
0 d σ ( O)<br />
d σ ( O)<br />
0 0<br />
δ ( O)<br />
= = + Ω<br />
s<br />
∧ σ ( O)<br />
dt dt<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0 0 0<br />
δ ( O)<br />
= I ( S)<br />
Ω + Ω ∧σ<br />
( O)<br />
O<br />
→<br />
•<br />
1<br />
→<br />
s<br />
→<br />
411
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
•<br />
⎛<br />
⎜ AΩ<br />
sx<br />
→<br />
•<br />
0<br />
δ (O) =<br />
⎜<br />
⎜<br />
B Ω sy<br />
•<br />
⎜C<br />
Ω sz<br />
⎝<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠R<br />
s<br />
⎛Ω<br />
⎜<br />
+ ⎜Ω<br />
⎜<br />
⎝Ω<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠R<br />
s<br />
⎛ AΩ<br />
⎜<br />
∧ ⎜ BΩ<br />
⎜<br />
⎝CΩ<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠R<br />
s<br />
=<br />
R<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
AΩ<br />
sx<br />
•<br />
⎪<br />
⎨B<br />
Ω sy<br />
⎪<br />
•<br />
⎪C<br />
Ω sz<br />
⎩<br />
s<br />
+ CΩ<br />
+ AΩ<br />
+ BΩ<br />
sy<br />
sx<br />
sy<br />
Ω<br />
Ω<br />
Ω<br />
sz<br />
sz<br />
sx<br />
− BΩ<br />
− CΩ<br />
− AΩ<br />
sy<br />
sx<br />
sy<br />
Ω<br />
Ω<br />
Ω<br />
sz<br />
sz<br />
sx<br />
Soient<br />
δ , δ , δ les composantes du moment dynamique exprimé dans le repère lié au<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
solide, nous obtenons les équations scalaires suivantes :<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
AΩ<br />
sx<br />
•<br />
⎪<br />
⎨B<br />
Ω sy<br />
⎪ •<br />
⎪C<br />
Ω sz<br />
⎩<br />
+ ( C − B)<br />
Ω<br />
+ ( A − C)<br />
Ω<br />
+ ( B − A)<br />
Ω<br />
sy<br />
sx<br />
sy<br />
Ω<br />
Ω<br />
Ω<br />
sz<br />
sz<br />
sx<br />
= δ<br />
= δ<br />
= δ<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
Ce système d’équation dépend des angles d’Euler et de leurs dérivées premières et secondes,<br />
il est assez difficile de le résoudre dans le cas général. Ces équations ne peuvent trouver<br />
solution que dans quelques cas particuliers que nous exposons ici .<br />
• Cas où le moment des forces extérieures, est nul, c’est le cas d’un solide en mouvement de<br />
rotation autour de son centre d’inertie. Ce cas est appelé problème d’Euler-Poinsot.<br />
• Cas d’un solide ayant un ellipsoïde central d’inertie, c’est à dire le point fixe est situé sur<br />
l’axe de révolution et le solide est soumis à la seule force de pesanteur. Ce cas est appelé<br />
problème de Lagrange-Poisson.<br />
• Cas d’un solide ou l’ellipsoïde central d’inertie est de révolution :A= B et en plus<br />
A =2C. le centre de masse est situé dans le plan équatorial. Ce cas est appelé problème de<br />
Kovalevskaia.<br />
7.1 Le point fixe O est confondu avec le centre d’inertie G du solide :<br />
Cas d’Euler-Poinsot<br />
La seule force appliquée est le poids en G, donc le moment des forces extérieures en ce point<br />
est nul, alors le système d’équation s’écrit :<br />
→<br />
0<br />
→<br />
0<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0 d σ ( G)<br />
0<br />
0<br />
δ ( G)<br />
= = 0 ⇒ σ ( G)<br />
= I<br />
G<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
= Cte<br />
dt<br />
412
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
R<br />
•<br />
⎧<br />
⎪<br />
AΩ<br />
sx<br />
•<br />
⎪<br />
⎨B<br />
Ω sy<br />
⎪<br />
•<br />
⎪C<br />
Ω sz<br />
⎩<br />
s<br />
+ ( C − B)<br />
Ω<br />
+ ( A − C)<br />
Ω<br />
+ ( B − A)<br />
Ω<br />
sy<br />
sx<br />
sy<br />
Ω<br />
Ω<br />
Ω<br />
sz<br />
sz<br />
sx<br />
= 0<br />
= 0<br />
= 0<br />
⎡A<br />
0 0⎤<br />
⎛Ω<br />
→<br />
→<br />
sx ⎞ ⎛ AΩ<br />
sx ⎞<br />
0<br />
0<br />
σ ( G)<br />
= I<br />
G<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
= Cte ⇔<br />
⎢<br />
B<br />
⎥ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟<br />
⎢<br />
0 0<br />
⎥ ⎜Ω<br />
sy ⎟ = ⎜ BΩ<br />
sy ⎟ = Cte<br />
⎢ C⎥<br />
⎜ ⎟ ⎜<br />
R sz R C ⎟<br />
⎣0<br />
0 ⎦ ⎝Ω<br />
⎠ ⎝ Ω<br />
sz ⎠R<br />
Le moment cinétique est constant donc son module est aussi constant, on a alors:<br />
2 2 2 2 2 2<br />
A Ω<br />
sx<br />
+ B Ω<br />
sy<br />
+ C Ω<br />
sz<br />
= Cte<br />
s<br />
s<br />
s<br />
Le centre d’inertie du solide est un point fixe donc son énergie potentielle<br />
E<br />
p<br />
= E p0<br />
reste<br />
constante. Comme le champ des forces est conservatif nous pouvons écrire :<br />
E + E = E + E<br />
c<br />
p<br />
c<br />
p0<br />
L’énergie cinétique du solide est donnée par :<br />
⎡A<br />
⎤ ⎛Ω<br />
sx ⎞<br />
T<br />
⎜ ⎟<br />
Ec =<br />
1 →<br />
0 0<br />
→<br />
0<br />
1<br />
Ω I<br />
G<br />
( S)<br />
Ω<br />
0<br />
1<br />
1<br />
=<br />
sx sy sz<br />
⎢ ⎥ ⎜ sy ⎟ =<br />
2<br />
2<br />
⎢ C⎥<br />
⎜ ⎟<br />
⎣0<br />
0 ⎦ R ⎝Ω<br />
sz ⎠R<br />
2 2 2<br />
d’où AΩ<br />
sx<br />
+ BΩ<br />
sy<br />
+ CΩ<br />
sz<br />
= Cte<br />
( Ω , Ω , Ω )<br />
⎢<br />
0 B 0<br />
⎥<br />
Ω Cte<br />
Les composantes de la vitesse de rotation ( Ω Ω , Ω )<br />
car elles sont solutions du système d’équations précédentes.<br />
sx<br />
sy<br />
s<br />
sz<br />
s<br />
, en fonction du temps, sont connues<br />
Pour trouver la valeur des angles d’Euler en fonction du temps, on choisit l’axe<br />
→ →<br />
z 0 ≡ z 1<br />
comme étant l’axe du moment cinétique 0 0<br />
σ ( G)<br />
, alors il sera parallèle à = ψ ; on peut<br />
→<br />
0<br />
alors écrire : σ ( G)<br />
λ z or nous pouvons exprimer le vecteur z dans le repère R par les<br />
matrices de passage :<br />
→<br />
z<br />
0<br />
⎡0⎤<br />
=<br />
⎢ ⎥<br />
⎢<br />
0<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
1⎥⎦<br />
R<br />
0<br />
⎡0⎤<br />
=<br />
⎢ ⎥<br />
⎢<br />
0<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
1⎥⎦<br />
R<br />
1<br />
→<br />
=<br />
0<br />
⎡ 0 ⎤<br />
=<br />
⎢ ⎥<br />
⎢<br />
sinθ<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
cosθ<br />
⎥⎦<br />
R<br />
2<br />
→<br />
⎡sinθ<br />
sinϕ<br />
⎤<br />
=<br />
⎢ ⎥<br />
⎢<br />
sinθ<br />
cosϕ<br />
⎥<br />
⎢⎣<br />
cosθ<br />
⎥⎦<br />
R s<br />
→<br />
0<br />
→ • →<br />
Ω1 z0<br />
s<br />
413
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
⎡ λ sinθ<br />
sinϕ<br />
⎤<br />
⎛ AΩ<br />
→<br />
→<br />
G =<br />
⎢<br />
⎥<br />
⎜<br />
0<br />
0<br />
σ ( )<br />
⎢<br />
λ sinθ<br />
cosϕ<br />
⎥<br />
or nous avons aussi σ ( G)<br />
= ⎜ BΩ<br />
⎢⎣<br />
λ cosθ<br />
⎥<br />
⎜<br />
⎦<br />
⎝CΩ<br />
R s<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠R<br />
s<br />
d’où :<br />
⎧ AΩ<br />
⎪<br />
⎨BΩ<br />
sy<br />
⎪<br />
⎩ CΩ<br />
sx<br />
sz<br />
= λ sinθ<br />
sinϕ<br />
= λ sinθ<br />
cosϕ<br />
= cosθ<br />
AΩ<br />
Le rapport entre l’équation (2) et (1) donne : ϕ = arctg<br />
B Ω<br />
L’équation (3) donne :<br />
CΩ<br />
θ = ar cos<br />
λ<br />
sz<br />
(1)<br />
(2)<br />
(3)<br />
Nous pouvons aussi déduire la vitesse de précession à partir des composantes du vecteur<br />
rotation instantané du solide (S) par rapport au repère R 0<br />
.<br />
sx<br />
sy<br />
7.2 Le point fixe O est sur l’axe de révolution de l’ellipsoïde d’inertie G :<br />
Cas de Lagrange-Poisson<br />
Le solide a une symétrie de révolution ( A= B) , alors le tenseur est le même dans la base<br />
R s<br />
liée au solide et dans la base intermédiaire<br />
R 2<br />
. De plus le centre d’inertie G du solide est situé<br />
sur le même axe que le point O tel que<br />
−−→ →<br />
OG = L z2<br />
. Les seules actions extérieures agissant sur<br />
le solide sont les actions de pesanteur.<br />
Le tenseur d’inertie en O s’écrit :<br />
I<br />
O<br />
⎡A<br />
( S)<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
A<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
C⎥⎦<br />
R<br />
s<br />
⎡A<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
A<br />
0<br />
0⎤<br />
0<br />
⎥<br />
⎥<br />
C⎥⎦<br />
R<br />
2<br />
Nous exprimerons tous les calculs dans le repère R 2<br />
.<br />
Dans ce repère, la vitesse instantanée de rotation du solide par rapport au repère<br />
expression :<br />
R 0<br />
aura pour<br />
414
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
→<br />
0<br />
s<br />
Ω<br />
•<br />
⎡ ⎤<br />
⎢<br />
θ<br />
• ⎥<br />
= ⎢ψ<br />
sinθ<br />
⎥<br />
⎢ •<br />
• ⎥<br />
⎢ψ<br />
cosθ<br />
+ ϕ⎥<br />
⎣ ⎦ R<br />
2<br />
⎛Ω<br />
⎜<br />
= ⎜Ω<br />
⎜<br />
⎝Ω<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠R<br />
2<br />
Le moment cinétique par rapport au point fixe O est égal à :<br />
→<br />
0<br />
σ ( O)<br />
= I<br />
O<br />
→<br />
0<br />
s<br />
( S)<br />
Ω<br />
⎡A<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
A<br />
0<br />
0⎤<br />
⎛Ω<br />
0<br />
⎥ ⎜<br />
⎥ ⎜Ω<br />
C⎥<br />
⎜<br />
⎦ R ⎝Ω<br />
2<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠R<br />
2<br />
⎛ AΩ<br />
⎜<br />
= ⎜ AΩ<br />
⎜<br />
⎝CΩ<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠R<br />
2<br />
Le moment dynamique est déduit à partir de la dérivée du moment cinétique :<br />
→<br />
→<br />
→<br />
0 0<br />
0 0<br />
→ →<br />
0<br />
0 → →<br />
0 d σ ( O)<br />
d σ ( O)<br />
0 0 d ( I<br />
O<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
) 0 0<br />
δ ( O)<br />
= = + Ω<br />
2<br />
∧ σ ( O)<br />
=<br />
+ Ω<br />
2<br />
∧ σ ( O)<br />
dt dt<br />
dt<br />
→<br />
→<br />
0<br />
0 0 0<br />
δ ( O)<br />
= I ( S)<br />
Ω + Ω ∧ σ ( O)<br />
O<br />
→<br />
•<br />
s<br />
→<br />
2<br />
→<br />
→<br />
R2<br />
0<br />
Ω 0 2<br />
: est la vitesse du repère par rapport au repère R , il est donné par :<br />
→ → →<br />
0 1 0<br />
2<br />
= Ω<br />
2<br />
+ Ω1<br />
,<br />
Ω<br />
→<br />
0<br />
3<br />
Ω<br />
→<br />
2<br />
3<br />
= Ω<br />
→<br />
0<br />
2<br />
+ Ω<br />
on déduit :<br />
→<br />
0<br />
2<br />
Ω<br />
→<br />
0<br />
3<br />
= Ω<br />
→<br />
2<br />
3<br />
− Ω<br />
→<br />
0<br />
3<br />
• →<br />
= Ω −ϕ<br />
z<br />
2<br />
•<br />
⎡ ⎤<br />
⎢<br />
θ<br />
• ⎥<br />
= ⎢ψ<br />
sinθ<br />
⎥<br />
⎢ • ⎥<br />
⎢ψ<br />
cosθ<br />
⎥<br />
⎣ ⎦ R<br />
2<br />
⎛<br />
⎜Ω<br />
= ⎜Ω<br />
⎜<br />
⎝ Ω<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
•<br />
⎟<br />
−ϕ<br />
⎠R<br />
2<br />
⎡A<br />
→<br />
0<br />
δ ( O)<br />
=<br />
⎢<br />
⎢<br />
0<br />
⎢⎣<br />
0<br />
0<br />
A<br />
0<br />
⎛<br />
0⎤<br />
⎜Ω<br />
0<br />
⎥ ⎜<br />
⎥ ⎜<br />
Ω<br />
C⎥⎦<br />
R<br />
⎜Ω<br />
2<br />
⎝<br />
•<br />
⎞<br />
sx ⎟<br />
•<br />
⎟<br />
sy<br />
⎟<br />
•<br />
⎟<br />
sz<br />
⎠R2<br />
⎛<br />
⎜Ω<br />
+ ⎜Ω<br />
⎜<br />
⎝Ω<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
•<br />
⎟<br />
− ϕ<br />
⎠R<br />
2<br />
∧<br />
⎛ AΩ<br />
⎜<br />
⎜ AΩ<br />
⎜<br />
⎝CΩ<br />
sx<br />
sy<br />
sz<br />
⎞<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎟<br />
⎠R<br />
2<br />
⎧<br />
⎪<br />
AΩ<br />
→<br />
0 ⎪<br />
δ ( O)<br />
= ⎨AΩ<br />
⎪<br />
⎪ C Ω<br />
R ⎩<br />
2<br />
•<br />
sx + ( C − A)<br />
Ω<br />
sy<br />
•<br />
sy + ( A − C)<br />
Ω<br />
sx<br />
•<br />
sz<br />
Ω<br />
Ω<br />
sz<br />
sz<br />
•<br />
+ Aϕ<br />
Ω<br />
sy<br />
•<br />
− Aϕ<br />
Ω<br />
sx<br />
415
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Le moment des actions extérieures est donné par :<br />
−→<br />
−−→<br />
→<br />
M ext<br />
( O)<br />
= OG∧<br />
m g<br />
⎧0<br />
−−→<br />
⎪<br />
Nous avons : OG=<br />
⎨0<br />
;<br />
⎪<br />
R ⎩L<br />
2<br />
→<br />
=<br />
m g<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨−<br />
mg sinθ<br />
⎪<br />
R ⎩−<br />
mg cosθ<br />
2<br />
−→<br />
M ext<br />
⎧0<br />
−−→ →<br />
⎪<br />
( O)<br />
= OG∧<br />
m g=<br />
⎨0<br />
⎪<br />
R ⎩L<br />
2<br />
∧<br />
⎧ 0<br />
⎪<br />
⎨−<br />
mg sinθ<br />
⎪<br />
R ⎩−<br />
mg cosθ<br />
2<br />
=<br />
⎧mgLsinθ<br />
⎪<br />
⎨ 0<br />
⎪<br />
R ⎩ 0<br />
2<br />
L’égalité entre le moment dynamique et le moment des actions extérieures donne les relations<br />
suivantes :<br />
⎧<br />
⎪<br />
AΩ<br />
⎪<br />
⎨ AΩ<br />
⎪<br />
⎪ C Ω<br />
⎩<br />
•<br />
sx + ( C − A)<br />
Ω<br />
sy<br />
•<br />
sy + ( A − C)<br />
Ω<br />
sx<br />
•<br />
sz<br />
= 0<br />
Ω<br />
Ω<br />
•<br />
sz<br />
+ Aϕ<br />
Ω<br />
sy<br />
•<br />
sz<br />
− Aϕ<br />
Ω<br />
sx<br />
= mgLsinθ<br />
= 0<br />
La dernière équation montre que nous avons une intégrale première donnée par :<br />
Ω • sz<br />
= 0<br />
d’où :<br />
• + •<br />
ϕ<br />
Ω sz = Cte ⇔ ψ cosθ = K = Cte<br />
Une deuxième équation provient du fait que nous avons un champ de force conservatif, ce qui<br />
se traduit par la conservation de l’énergie totale :<br />
L’énergie cinétique s’écrit :<br />
E<br />
+ E<br />
C P<br />
=<br />
Cte<br />
E<br />
C<br />
E C<br />
→<br />
→<br />
1 0T<br />
0 1 0T<br />
→<br />
= Ω<br />
s<br />
I<br />
O<br />
( S)<br />
Ω<br />
s<br />
= Ω<br />
s<br />
• σ<br />
0<br />
( S)<br />
2<br />
2<br />
=<br />
1<br />
2<br />
⎡<br />
• •<br />
⎛ 2 2<br />
⎢A⎜θ<br />
+ ψ sin<br />
⎢⎣<br />
⎝<br />
2<br />
→<br />
⎞<br />
•<br />
•<br />
2<br />
⎛ ⎞ ⎤<br />
θ ⎟ + C⎜ψ<br />
cosθ<br />
+ ϕ ⎟ ⎥ =<br />
⎠ ⎝ ⎠ ⎥⎦<br />
1<br />
2<br />
• •<br />
⎡ ⎛ 2 2<br />
⎢A⎜θ<br />
+ ψ sin<br />
⎣ ⎝<br />
2<br />
⎞<br />
θ ⎟ + CK<br />
⎠<br />
⎤<br />
⎥<br />
⎦<br />
2<br />
416
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Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
L’énergie potentielle s’écrit :<br />
E P<br />
= mgLcosθ<br />
on a alors :<br />
1 • •<br />
⎡ ⎛ 2 2 2 ⎞ ⎤<br />
⎢A ⎜θ<br />
+ ψ sin θ ⎟ + CK<br />
2<br />
⎥ + mgLcosθ<br />
= Cte<br />
2 ⎣ ⎝<br />
⎠ ⎦<br />
A l’aide ces deux intégrales premières nous pouvons déduire l’expression de<br />
•<br />
ψ<br />
et déduire<br />
•<br />
→<br />
par la suite celle de θ en choisissant la direction du moment dynamique suivant l’axe z 0<br />
.<br />
8. L’effet gyroscopique<br />
Un solide à symétrie de révolution (Toupie) ayant une vitesse de rotation autour de son axe,<br />
très élevée est appelé gyroscope. Sa grande vitesse de rotation (rotation propre) permet de<br />
simplifier les équations et faire des approximations afin de déterminer des relations avec la<br />
vitesse de rotation de précession et de nutation.<br />
8.1 L’approximation gyroscopique<br />
On dit qu’un solide à symétrie de révolution, satisfait à l’approximation gyroscopique lorsque<br />
sa vitesse de rotation propre est très grande devant la vitesse de nutation et de précession.<br />
• •<br />
• •<br />
ϕ >>ψ et ϕ >> θ<br />
Dans ce cas la vitesse de rotation du solide est portée par un axe (Δ)<br />
défini par : ( O , Δ )<br />
→ • →<br />
•<br />
Tel que : Ω<br />
Δ<br />
= ϕ eΔ<br />
; où ϕ : est la vitesse de rotation propre<br />
8.2 Couple gyroscopique appliqué à une toupie (Règle de Foucault)<br />
On applique le théorème du moment cinétique au point O à une toupie de masse m , de centre<br />
d’inertie G ayant un axe de révolution (Δ)<br />
et soumise à la seule force de pesanteur due à son<br />
propre poids. Le moment dynamique de la toupie qui est la dérivée du moment cinétique est<br />
égal au moment des actions extérieures. Dans ce cas la seule action extérieure est due au poids<br />
de la toupie, on obtient alors la relation :<br />
→<br />
e<br />
d<br />
0<br />
→<br />
σ<br />
0<br />
( S)<br />
dt<br />
−→<br />
−−→<br />
→<br />
= M = OG∧<br />
m g<br />
0 Fext<br />
Dans l’approximation gyroscopique, le vecteur moment cinétique<br />
constant et sa direction est portée par l’axe<br />
(Δ)<br />
.<br />
→<br />
σ<br />
0<br />
( S)<br />
a un module<br />
417
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
La dérivée<br />
d σ<br />
0<br />
( S)<br />
dt<br />
0 →<br />
correspond en fait à la vitesse de l’extrémité du vecteur moment<br />
cinétique dans son mouvement de rotation autour de l’axe fixe<br />
→<br />
z 0<br />
à une vitesse angulaire de<br />
→ • →<br />
Ω =<br />
0<br />
précession :<br />
prec<br />
ψ z , qui se traduit par la relation :<br />
d<br />
→<br />
0<br />
σ<br />
0<br />
( S)<br />
→ → →<br />
→<br />
= Ω<br />
prec<br />
∧ σ<br />
0<br />
( S)<br />
= Ω<br />
prec<br />
∧ I<br />
Δ<br />
Ω<br />
Δ<br />
dt<br />
I<br />
Δ<br />
: est le moment d’inertie par rapport à l’axe Δ .<br />
On déduit :<br />
→<br />
Ω<br />
prec<br />
∧ I<br />
Δ<br />
→<br />
Ω<br />
Δ<br />
−−→<br />
→<br />
= OG∧<br />
m g<br />
qui peut s’écrire aussi sous la forme<br />
→ → −−→ → →<br />
I<br />
Δ<br />
Ω<br />
Δ<br />
∧ Ω<br />
prec<br />
+ OG∧<br />
m g = 0<br />
On défini ainsi le couple gyroscopique qui a pour expression :<br />
−→<br />
→ → → →<br />
M<br />
Gyros<br />
= I<br />
Δ<br />
Ω<br />
Δ<br />
∧ Ω<br />
prec<br />
= σ<br />
0<br />
( S)<br />
∧ Ω<br />
prec<br />
Nous avons alors à chaque instant l’égalité :<br />
−→<br />
−→<br />
→<br />
M Gyros<br />
+ M Fext<br />
= 0<br />
On déduit alors une relation entre la vitesse de rotation propre et la vitesse de rotation de<br />
précession en développant la relation :<br />
I<br />
→ → −−→ → →<br />
Δ<br />
Ω<br />
Δ<br />
∧ Ω<br />
prec<br />
+ OG∧<br />
m g = 0<br />
I<br />
• → • → →<br />
→ →<br />
Δ<br />
ϕ eΔ<br />
∧ψ<br />
z0 + a eΔ<br />
∧ −mg<br />
z 0<br />
= 0<br />
I<br />
• • → →<br />
→ → →<br />
Δ<br />
ϕ ψ ( eΔ<br />
∧ z0 ) − mga(<br />
eΔ<br />
∧ z0<br />
) = 0<br />
• •<br />
•<br />
mga<br />
ϕ ⇒ I<br />
Δ<br />
ϕψ<br />
− mga = 0 ⇔ ψ =<br />
•<br />
I ϕ<br />
• •<br />
→ → →<br />
( I<br />
Δ<br />
ψ − mga)(<br />
eΔ<br />
∧ z0<br />
) = 0<br />
Le résultat ci dessus montre que si la rotation propre est assez grande, la nutation est<br />
négligeable et la précession pratiquement uniforme, elle s’effectue avec une vitesse angulaire<br />
inversement proportionnelle à la vitesse de rotation propre.<br />
Δ<br />
418
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique<br />
Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3<br />
A.KADI<br />
Lorsqu’un gyroscope est soumis à une rotation imposée, il réagit en créant un couple<br />
gyroscopique et adoptant une rotation qui envoie l’axe du gyroscope s’aligner sur l’axe de la<br />
rotation imposé.<br />
Plus simplement, on peut dire que l’axe du gyroscope tend, en empruntant le plus court<br />
chemin, à s’aligner sur l’axe du vecteur du moment extérieur du aux actions extérieures.<br />
Dans le cas de l’approximation gyroscopique, deux cas peuvent se présenter :<br />
a) Si le moment des actions extérieures est nul, l’axe du gyroscope garde une direction<br />
−→ →<br />
0<br />
d σ<br />
0<br />
( S)<br />
→ →<br />
constante : M<br />
0 Fext<br />
= 0 ⇒ = 0 ⇒ σ<br />
0<br />
( S)<br />
= Cte<br />
dt<br />
→<br />
;<br />
−→<br />
M<br />
0 Fext<br />
→<br />
b) Si = M y alors : I Ω ∧ Ω + 0 ⇒ I<br />
0<br />
→ → −−→ →<br />
Δ Δ prec<br />
M 0 Fext<br />
=<br />
→ • → → →<br />
Δ<br />
Ω<br />
Δ<br />
∧ψ<br />
z0 + M x 0<br />
= 0<br />
→<br />
Ω Δ<br />
→<br />
x 0<br />
: doit être porté par l’axe pour que l’équation puisse avoir une solution.<br />
• → • → → →<br />
• •<br />
Δ<br />
ϕ x0 ∧ψ<br />
z0<br />
+ M y<br />
0<br />
= 0 ⇔ − I<br />
Δ<br />
ϕ ψ + M = 0<br />
I<br />
•<br />
=<br />
•<br />
I<br />
Δ<br />
ψ<br />
ϕ<br />
M<br />
Ce phénomène s’appelle effet gyroscopique.<br />
En d’autre terme pour un gyroscope ayant une rotation propre élevée, si vous appliquer<br />
une action sur l’armature pour obtenir une précession, vous faites apparaître la<br />
nutation. Pour un gyroscope à cardan cela signifie que si vous lui donner du ψ , il vous<br />
donnera du θ .<br />
419