MECANIQUE RATIONNELLE
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3 A.KADI Pour résoudre cet exercice nous calculerons les tenseurs d’inertie de chaque demi sphère en son centre O puis on le calculera en son centre d’inertie G par le théorème de Hugens. On passera ensuite de chaque centre d’inertie au point O en appliquant encore une fois le théorème de Huygens. i 1. Moment d’inertie de la sphère (S 1 ) en O 1 Nous avons : ( xO y) et ( zO y) 1 1 des plans de symétrie alors : I I = I 0 Les axes x et z jouent le même rôle donc : O 1 O 1 i O1 xy = O = 1xz O1 yz I O xx = I 1 O 1 zz Le moment d’inertie d’une demi sphère creuse a été déjà calcule dans les exercice précédents. 2 On choit un élément de surface : tel que dm = σds = σR dψ cosθdθ avec : 0 ≤ ψ ≤ 2π et π 2 2 2 2 0 ≤ θ ≤ . Nous avons aussi : x + y + z = R ; 2 Calculons : I O 1 xx On peut écrire : 2 2 2 ∫ ( y + z ) dm + ∫ ( x + 2 I O + = ) 1 xx I O1 zz y dm S 1 S 1 2I 2 2 2 2 2 ∫ ( x + y + z ) dm + ∫ y dm = ∫ R dm + ∫ 2 2 2 = sin . cos 1xx R θ σR dψ θdθ O S 1 S 1 S 1 S 1 π / 2 2π 2 2 4 2 2 4 1 2 2 R 2I O mR R sin . cd(sin ) d mR R . .2 mR 2 R . 1xx = + σ ∫ θ θ ∫ ψ = + σ π = + σ π = 3 3 0 0 4mR 3 2 2 4mR 2 2 2I O 1xx = ⇒ I O xx = mR = I 1 O1 zz 3 3 Calcul de ∫ S1 I O 1 yy ∫ S1 ∫ 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 I O = ( + ) = ( + + ) − = − sin . cos 1yy x z dm x y z dm y dm R dm R θ σR dψ θdθ π / 2 2π 2 2 4 2 2 mR I O yy = mR −σ R ∫ sin θ. cd(sinθ ) ∫ dψ = mR − = 3 0 0 2 mR 1 3 S1 ∫ S1 ∫ S1 2 Le tenseur d’inertie de (S 1 ) en O 1 est : I O 1 ( S 1 ⎡2 ⎢ mR 3 ⎢ ) = ⎢ 0 ⎢ ⎢ ⎢ 0 ⎣ 2 0 2 mR 3 0 2 2 3 ⎤ 0 ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ 2 mR ⎥ ⎥ ⎦ 171
UMBB Boumerdès, Faculté des sciences, Département de physique Cours exercices, Mécanique Rationnelle : TCT et LMD-ST sem :3 A.KADI On déduit le tenseur d’inertie au pointG 1 dans le repère ( O 1 , x, y, z) par le théorème de R Huygens : les coordonnées de G 1 sont ( 0, , 0) dans ce repère. 2 2 2 I S ) I ( S m I S ) = I ( S − m = ( ) ⇒ ( ) O ( 1 1) 1 G + d 1 1 I G 1 ( S 1 ⎡2 ⎢ mR ⎢3 ) = ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢⎣ 2 2 ⎛ R ⎞ − m⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠ 0 0 2 3 G ( 1 1) 1 O d 1 1 0 mR 0 2 − 0 2 3 mR 2 0 0 ⎛ R − m⎜ ⎝ 2 Le tenseur d’inertie au pointO dans le repère ( O , x, y, z) se déduit aussi par le théorème de R Huygens : les coordonnées de G 1 sont ( b , , 0) dans ce repère. 2 2 I ( S ) = I ( S m D 1 O 1 G 1) + I O I O ( S 1 ( S 1 ⎡ ⎢ 2 mR ⎢3 ⎢ ) = ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ 2 ⎡ 2 2 ⎢ mR 3 ⎢ R ) = ⎢− mb ⎢ 2 ⎢ ⎢ 0 ⎣ ( ) 1 2 ⎛ R ⎞ ⎛ R ⎞ − m⎜ ⎟ + m⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ R − mb 2 2 3 0 R − mb 2 mR 2 0 + mb 2 2 ⎞ ⎟ ⎠ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥⎦ R − mb 2 2 2 2 mR − 0 + mb 3 2 2 ⎛ R 0 mR − m⎜ 3 ⎝ 2 ⎤ 0 ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ 2 2 2 mR + mb ⎥ 3 ⎥ ⎦ 2 2 ⎞ ⎟ ⎠ 0 0 ⎛ + m⎜b ⎝ 2 ⎛ R + ⎜ ⎝ 2 Le moment d’inertie de ( S 3 ) se déduit facilement à partir de celui de S ) . Les coordonnées R de G 3 sont ( − b, − , 0) dans le repère ( O , x, y, z) , nous avons donc : I O ( S1) = I O ( S3) 2 De la même manière pour les demi sphères ( S 2 ) et S ) , nous avons : ( 4 ( 1 2 ⎞ ⎟ ⎠ ⎞ ⎟ ⎠ ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ Le tenseur d’inertie de (S 2 ) en O 2 est : I O 2 ( S 2 ⎡2 ⎢ mR 3 ⎢ ) = ⎢ 0 ⎢ ⎢ ⎢ 0 ⎣ 2 2 3 0 mR 0 2 2 3 ⎤ 0 ⎥ ⎥ 0 ⎥ ⎥ 2 mR ⎥ ⎥ ⎦ 172
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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