Cinétique des particules (semaine 3) 1. Lois de Newton 2. Composantes rectangulaires, normales–tangentielles et radiales–transverses (polaires) 3. Seconde loi de Newton : DCL=DCE 4. Principe Travail–Énergie 5. Énergie potentielle © Alain Hébert, 2008 Définitions La cinétique est l’étude du mouvement d’une particule ou d’un corps soumis à une force résultante non nulle. La masse est la quantité de matière qui compose un corps (kg). Elle exerce un rôle inertiel, donc elle s’oppose aux variations de mouvement. Une particule est un corps de masse m dont on néglige les dimensions. Une force est l’action d’un corps sur un autre. Une force est représentée par un vecteur (grandeur, direction et respect de la loi du parallélogramme). La force résultante est la somme vectorielle de toutes les forces s’appliquant sur une particule. Semaine 3 MEC2420 2 Dynamique Newtonienne La dynamique Newtonienne est l’étude du mouvement d’une particule ou d’un corps par l’utilisation des trois lois de Newton (1686): 1 Une particule reste au repos ou poursuit son mouvement en ligne droite et à vitesse constante si la force résultante s’appliquant sur cette particule est nulle. 2 Lorsque la force résultante s’appliquant sur une particule n’est pas nulle, cette particule subira une accélération proportionnelle à la grandeur de la résultante, et dans la direction de celle-ci. On a: ! ! Fi = m a ! i 3 Les forces d’action et de réaction, agissant sur deux corps en interaction, sont égales en grandeur, opposés en direction et colinéaires. ! 2 approches utilisées en cinétique Newtonnienne: 1. application directe des lois de Newton (DCL=DCE) 2. principe impulsion - quantité de mouvement ! 2 approches utilisées en cinétique énergétique 4. principe travail – énergie 5. équations de Lagrange Semaine 3 MEC2420 1 3 Diagramme de corps libre Rappel: La résolution de problèmes de mécanique par la première ou seconde loi de Newton nécessite l’utilisation d’un diagramme de corps libéré (DCL) • On isole une partie du système à analyser et on dessine le contour de cette partie • On trouve toutes les forces que l’environnement apporte sur cette partie et on les représente par des flèches • • • On écrit le module de ces forces à coté de chaque flèche • Il n’est pas nécessaire de faire les DCL des membrures à deux forces dont la masse est nulle. • Si le problème est dynamique, on doit aussi utiliser un diagramme cinétique effectif (DCE). On représente un système d’axes Si le système total comporte plusieurs parties, on peut le démembrer et dessiner plusieurs DCL. Attention au respect du principe action-réaction (3 ème loi) Semaine 3 MEC2420 4 Deuxième loi de Newton ! Fi = m a i Nécessite la représentation de toutes les forces (actives et réactives) au moyen d’un Diagramme de Corps Libéré (DCL) et de toutes les forces effectives au moyen d’un Diagramme Cinétique Effectif (DCE). ! ! ! ! ! ! ! ! DCL R mg θ DCE θ θ n = man 1 N mat t Les vecteurs –ma sont également appelées forces d’inertie. Semaine 3 MEC2420 5 Composantes rectangulaires La deuxième loi de Newton s’écrit: ! ! ! !" # Fx,i i + Fy,i j + Fz,i k = m(ax i + ay j + az k) # !i" F i + Fy,i j + Fz,i k #= m(ax i + ay j +! az k) " ! ! x,i ! Fx,i= i +mFay,i j, + Fz,iFk = m(a i+ ay j + aFz k)= m az x i F = m a and x y x,i y,i z,i ou i !i !i !i " # ! Fy,i = m ay and Fz,i = m az ! !Fx,i =Fm aix+, F j! ! $ + F k = m(a i + a ) a x y jF+ a= z km z,i = m ay and Fx,i =x,i m ax , y,i i F z i i 2 2 2 y,i z,i ! a = ax + ay + az i i i $i ! 2 ! 2 2 avec ! ! ! ! $ a = a + a + a =am m Fx,iF= , x , x 2Fy,iFy= Fz,i = F0z,i = m az x,i m y,i 2 0=z and 2 ay and x aa = ax i+ ay + az ! !i i i !i !i !Fx,i = m ax , !Fy,i !Fz,i = 0 ! $ = 0 and 2i Fx,i = m ax , ai = Fy,i = 0 2 and Fz,i = 0 i a2 x + aselon y + al’axe z Dans lei cas d’un mouvement rectiligne des x, on a: i i ! ! ! Fx,i = m ax , Fy,i = 0 and Fz,i = 0 i i i Semaine 3 MEC2420 2 6 Exemple 3/2 Une nacelle d’inspection de masse 200 kg se déplace le long d’un câble, sous l’action d’une force horizontale T = 2.4 kN, tel qu’illustré. Calculez l’accélération a de la nacelle ainsi que la force de réaction P exercée par le câble sur les poulies de support. Solution: On utilise une approche DCL = DCE Equilibre dynamique ! " selon y:! " ! − (2.4) ! 5 " − 1.962 ! 12" = 0 P 5 12 13 P − 1.962 13 = 0 ! − (2.4) 13 13 ⇒ P = 2.73 kN ! ⇒ P = 2.73 kN Equilibre dynamique selon ! x:" ! " 5 12 − 1962 = 200 a 2400 13 13 ⇒ Semaine 3 a = 7.30 m/s DCL y DCE y P x x = G T = 2.4 k N 13 ma G 12 5 2 W = m g = 1962 N MEC2420 7 Problème 3/10 Déterminez l’angle α de l’état stationnaire si la force constante P est appliquée au chariot de masse M. Le balancier du pendule a une masse m et celle de la tige rigide L est négligeable. Nous considérons tous les frottements comme nuls. Évaluez l’expression pour P = 0. Semaine 3 MEC2420 8 Problème 3/16 Déterminez la tension P dans le cable qui va donner au bloc de 50 kg une accélération constante de 2 m/s2 vers le haut du plan incliné. Semaine 3 MEC2420 9 Problème 3/27 Établissez l’accélération verticale du cylindre de 30 kg pour chacun des deux cas illustrés. Négligez le frottement et la masse des poulies. Semaine 3 MEC2420 10 Problème 3/41 Les coulisseaux A et B sont reliés l’un à l’autre par une tige rigide et se déplacent avec un frottement négligeable dans les glissières, toutes deux dans le plan horizontal. Pour la position illustrée, le cylindre hydraulique cause une vitesse de 0.4 m/s et une accélération de 2 m/s2 au coulisseau A, tous deux vers la droite. Déterminez l’accélération du coulisseau B et la force dans la tige à cet instant. Semaine 3 MEC2420 11 Mouvement curviligne 2D Composantes rectangulaires ! ! ! ! Fx,i = m ẍ and ! Fy,i = m ÿ i i ! ! !F F! x,i = m ẍ 2 and y,i = m ÿ F = m v /ρ and Ft,i = m v̇ n,i Composantes normale – tangentielle i i i i ! ! ! ! ! Fx,i =2m ẍ and !! y,i = m ÿ Fn,i = m v /ρ and FF t,i = m v̇ 2 Fr,i =i m (r̈−r θ̇ ) and Fi = m (r θ̈+2ṙ θ̇) ! i i θ,i i ! ! ! !i ! 2 F(r̈−r Fmt,i(r= m v̇ṙ θ̇) 2 v /ρ and n,i =θ̇m F = m ) and F = θ̈+2 r,i θ,i Composantes i radiale – transverse (polaires) i i i ! ! ! 2 Fr,i = m (r̈−r θ̇ ) and Fθ,i = m (r θ̈+2ṙ θ̇) ! i i ! Note: Le vecteur vitesse est toujours tangent à la trajectoire de la particule. Semaine 3 MEC2420 4 12 Exemple 3/6 Calculez la vitesse maximum v que le bloc peut atteindre en A sans perdre contact avec la surface. Solution: On utilise une approche DCL = DCE. n selon n: Equilibre dynamique 2 v2 v mg − N mg = m= N = m ρ ρ √ N =0 N ⇒ = v0= ⇒g ρv = √g ρ ma mg t = t N n DCL Semaine 3 MEC2420 n DCE 13 Problème 3/48 Le bloc de 2 kg atteint le sommet B de la portion circulaire du parcours avec une vitesse de 3.5 m/s. Calculez la grandeur NB de la force normale exercée par le parcours sur le bloc. Déterminez la vitesse maximum v que le bloc peut avoir en A pour ne pas perdre contact avec le parcours. Semaine 3 MEC2420 14 Problème 3/88 Au temps t = 0, la particule P est relâchée de la position r = r0 dans le tube lisse, avec une vitesse relative nulle par rapport au tube. Le tube est entraîné à une vitesse angulaire ω0 constante autour de l’axe vertical. Déterminez la vitesse radiale vr, la position radiale r et la vitesse transversale vθ de P en fonction du temps t. Expliquez pourquoi la vitesse radiale augmente avec le temps en l’absence de forces radiales. (Extra numérique: Tracez la trajectoire absolue de la particule pendant tout le temps où elle se trouve à l’intérieur du tube, pour r0 = 0.1 m, l = 1 m et ω0 = 1 rad/s.) Semaine 3 MEC2420 15 θ̈ = Problème α µs 3/91 θ̇,l’orbite r̈ µs ṙ, Le vaisseau spatial P circule sur elliptique illustrée. À l’instant représenté, sa vitesse est v = 4230 m/s. Déterminez les valeurs correspondantes de ṙ, θ̇, r̈ et θ̈ . Utilisez g = 9.825 m/s2 pour l’accélération de la gravité à la surface de la terre et R = 6371 km pour le rayon de la terre. θ̈ 3 3 Semaine 3 MEC2420 16 Problème 3/96 Une petite bague de masse m se déplace le long de l’anneau circulaire horizontal fait d’une tige mince. Elle a une vitesse initiale de grandeur v0. Si le coefficient de frottement cinétique est µk, déterminez la distance que parcourra la bague avant de s’arrêter. (Indice: La force de frottement dépend de la force normale totale.) Semaine 3 MEC2420 17 Travail – définition La figure représente l’effet d’une force F agissant sur une particule en A et qui se déplace le long de la trajectoire. dr α F Fn F A′ A r Ft r + dr α cos F = | | dr = ds α d s cos α O Le travail dU fait par la force F pendant le déplacement dr de la particule est donné par dU = F · dr = Ft ds Une force qui travaille est appelée force active; une force qui ne travaille pas est appelée force réactive. Semaine 3 MEC2420 18 Calcul du travail - ressort On intègre la force active le long de la trajectoire dU = F · drdu =travail: Ft ds pour obtenir l’expression ! 2 ! s ! Ft 2 U1−2 = F · dr = Ft ds 1 s1 dU = F · dr = Ft ds dU != F · dr = Ft ds ! x x2 2 ! ! s 2 ! ! U1−2fait = par le (−F ) dx sur =s2 le chariot (−kx)lors dx Le travail ressort U = F · d r = F ds t 1−2 U x x1 ds · dla = F 1−2 = 1 Fde sr1position d’un déplacement xt 1 à la position ! ! dU = F t ds s1 s s2 Tension s 1 # x 2 est ! xdonné par k !" x2 2 2 ! 2 −! xx22 dx U1−2! = (−Fx2) dx==2 x1(−kx) U1−2 x1= ! ! ! x1 k" (−F ) dx x1= x1 (−kx) dx x1 # # 2k " 2 = x1 − x22 2 x1 − x 2 2 = x2 x F 2 Il s’agit d’un travail négatif car la force s’exerce dans le sens opposé au déplacement 5 Semaine 3 x MEC2420 x k Position au repos 19 1−2 1 ! x 2 U1−2 = x s1 ! x travail - gravité Calcul du 2 (−F ) dx = x (−kx) dx Le travail fait 1par la gravité sur1la particule lors d’un déplacement h1 à la # k " 2de la2hauteur hauteur h2 est = donnéxpar 1 − x2 y 2 U1−2 = U1−2 = ! h 2 ! 2 1 h1 h2 (−mg) dy = mgh1 − mgh2 F · dr = ! 2 1 ma · dr = ! s 2 s1 mat ds mg h1 dv dv ds v dv at = = = dt ds dt ds U1−2 = ! v 2 v1 # m" 2 2 mv dv = v2 − v1 = T2 − T1 2 1 T = mv 2 2 Semaine 3 5 MEC2420 20 x2Ft ds U1−2 2 F · dr = 1−2 =xx x ! 1 U1−2 = (−F dx x2 ) dx = s1 !1(−kx) x2 U1−2! =x1 Énergie (−F ) dxcinétique =x1# (−kx) dx ! " x2 x1 k x 22 x1 =k )"dxx2 − x # U1−2 = (−F = 1 2 2 (−kx) dx 2 2x x1 = x1 # l’expression du travail On utilise la deuxième loi de Newton 1" −2 x2 dans k 2 ! x − x2 ! 2 ! s = 21 # 2 " 2 ! kr =!2 2 2 ! U1−2 =! 2 F · d m a · d r = s2 mat ds = x1 2− x2 1 1 s!1ma ds !F2· dr2= !m2a · dr = ! U1−2 = s2 t 1 1 s U1−2! = tangentielle F · dr! = de l’accélération ma · dr! =1 estma t ds par où la composante 2 1 2 1 s2 s1 donnée drdv = mds a · dr v=dv mat ds dv ! U1−2 = 1 aF ·= s1 =1 dv ds = t dv v dt ds dt ds dv ! at = = = dv dtdv ds"ds dtv dv #ds ! v 2 at!= = m = Donc: U1−2 = mv v22" −ds v12 = # T2 − T1 v2 dtdv =ds dtm 2 2 2 ! U1−2! =v1 mv dv = v2 − v1 = T2 − 5 T1 " # v2 v1 m 2 mv dv = 1 v22 − v12 = T2 − T1 ! U1−2 = 2 v1 T =2 mv 1 où l’énergie cinétique est définie 2 par T = mv 2 1 22 ! T = mv 2 5 ! 5 5 Semaine 3 MEC2420 21 Exemple 3/11 Calculez la vitesse v2 de la caisse de 50 kg lorsqu’elle atteint la bas du plan incliné en B. Sa vitesse initiale en A est de 4 m/s et le coefficient de friction dynamique µk est de 0.30. Solution: Le travail ◦fait par la gravité ◦ µk U1−2 = (mg sinµ 15 − µµkmg cos 15 )∆s et par la force de friction kest k µk 15◦ − µ◦ k mg cos 15◦ )∆s ◦ (mg ◦ sin U = µ 1−2 k !U1−2 =15 0)(9.81)(sin 0.30 )(10) =15 −151.9 (mg−◦ sin 15cos −15 µk mg )∆s J ◦cos = (mg sin 15 − µ mg cos 15 )∆s −2 k ◦◦ ◦ ◦ )∆s ◦ ◦ U = (mg sin 15 − µ mg cos 15 ! U1−2 1−2 k =◦ = (50)(9.81)(sin −◦)(10) 0.30 cos 15 )(10) (mg sin0.30 15 ◦cos −15 µk15 mg cos 15 (50)(9.81)(sin 15◦ − = )∆s −151.9 J = −151.9 J .81)(sin 15 − 0.30 cos 15 J ◦ )(10) = ◦−151.9 ◦ ◦ = changement (50)(9.81)(sin − 0.30 cos 15 )(10) = −151.9 J Le d’énergie cinétique la )(10) caisse est = (50)(9.81)(sin 15 −15 0.30 cosde 15 = −151.9 J !T2 − T1 = 1 (50)(v22 − 421) 2 2 11 = (50)(v 2 2 − 4 ) T − T 2 2 2 − 4 ) T2 − T1 = (50)(v 2 2 2 travail⇒ – énergie cinétique: = TBilan −151.9 = 25(v22 − 42) 2 − T1 2 2 2 2 U = T − T ⇒ −151.9 = 25(v − 4 ) 1−2 2 1 U1−2 = T2 − T1 ⇒ −151.9 = 25(v2 − 42 ) ⇒ v2 = 3.15 m/s v2 = 3.15 ⇒ v⇒ m/s m/s 2 = 3.15 ◦ Semaine 3 MEC2420 22 Problème 3/107 La bague A de 15 kg est relâchée à partir du repos à la position illustrée, puis elle glisse sans frottement le long de la tige sous l’effet de la force P = 200 N. La tige est inclinée à 30° à partir de l’horizontale. Calculez la raideur k requise dans le ressort pour que sa déformation maximum soit de 180 mm. La position de la petite poulie B est fixe.! Semaine 3 MEC2420 23 Problème 3/116 L’escalier mobile d’un magasin à rayons doit transporter 30 personnes par minute, du premier étage au second, dans une dénivelée de 7 m. La masse moyenne des personnes est de 65 kg. Si le moteur qui actionne l’escalier fournit 3 kW, calculez l’efficacité mécanique du système. Semaine 3 MEC2420 24 Problème 3/121 Un ressort d’automobile non linéaire est mis à l’épreuve en précipitant sur lui un cylindre de 70 kg à une vitesse v0 = 3.6 m/s. Le graphique illustre la courbe de la résistance du ressort. Établissez la déformation maximale δ du ressort avec et sans le terme non linéaire illustré. La petite plateforme sur le ressort a une masse négligeable. Semaine 3 MEC2420 25 Problème 3/162 Au moment du déclenchement du mécanisme sans vitesse initiale à la position θ = 60º, le chariot de 4 kg descend et la sphère de 6 kg s’élève. Déterminez la vitesse v de la sphère quand θ = 180º. Ne tenez pas compte de la masse des liaisons et traitez la sphère comme étant une particule. Semaine 3 MEC2420 26 Énergie potentielle L’énergie potentielle est l’énergie emmagasinée dans un corps qui, lorsqu’il la libère, peut entrer en mouvement. Énergie potentielle gravitationnelle: Il s’agit du travail mgh fait contre la force gravitationnelle pour élever une masse m d’une hauteur h (définie par rapport à un plan de référence). Vg = mgh ! Énergie potentielle élastique : Il1s’agit du travail requis pour étirer ou Vg= = mgh VV kx2 x depuis sa position de repos. compresser un ressort d’une distance eg = mgh 2 ! 1 2 Vg = mgh V = k(x x ) ′ 1 e rep V = mgh 2 g T2 + Vg,2 + Ve,2 = T + V + V + U ! 1 g,1 e,1 1−2 Ve2 = kx 2 0 2 U T2 T1 = U 1 + U + U V = kx e 1 gravite elastique 2 1−2 1 2 ′ 2 T2 − T1 = U1−2 +2U1−2 + U1−2 1 Le s’écrit 1 elastique V principe = kx2travail–énergiegravite ′ alors e ! 2 h! i′ " h ! i" + Ve,1 + U"1−2 ! TV2g,1 ! T1 + Vg,1 + Ve,1" + U 0 ′ 2 + Ve,2 = T1 + + V + V = g,2 e,2 2 +VVg,2++VVe,2 == TT1++VVg,1++VVe,1 ++UU1′ 1−2 ! 2 TT + 2 g,2 e,2 1 g,1 e,1 1−2 ′ où U1−2 est le travail fait par les non prises en compte dans les ′ 2 UU1′0 forces 1−2 termes d’énergie potentielle. U1−2 Semaine 3 MEC2420 27 Exemple 3/16 Le mobile de 3 kg est relâché du repos au point A et glisse sans friction dans le plan vertical le long du guide circulaire. Le ressort qui y est attaché a une constante de 350 N/m et sa longueur au repos est de 0.6 m. Calculez la vitesse du mobile au point B. TSolution: Ve2 = T1 +de Vg1l’énergie + Ve1 2 + Vg2 + Conservation T2 + Vg2 + Ve2 = T1 + Vg1 + Ve1 mécanique 1 1Vg2 + TT V VVe2 = TT11 + VV1g1 + VV2e1 2 222 + 2V + + = + + g2 e2 g1 e1 T + V + V = T + + V k ∆s m v k ∆s + m g h + = + m g h + 1 1 1 2 g2 e2 1 g1 e1 B A B B A A 2 2 m2vB + m g hB + k ∆s2 m vA = + mgh 2 2 B 2 11 11 11 2 22 1 11 2 22 22 1 22 1 m v k ∆s m v k ∆s + m g h + = + m g h + 2 2 B = √m vA + m g 2 m v+ g 2hBB=+ 1mk v∆s hAA + k ∆sAA B vvB ∆s h + h + B +km B mg A k2∆sA 2 +mg B A 2 2 2 22 B A 2 ] +22(350)[0.6(2 21 − 1)] 1 B + [−(3)(9.81)(0.6) 2 2 2 = (3) vB + [−(3)(9.81)(0.6)] + (350)[0.6( 2 √ 2 2 11 11 √ 22 22 √ 1 + −(3)(9.81)(0.6) + (3) v (350)[0.6( 2 − 1)] = ]] + (350)[0.6( 2 2 (3) vBB +[[−(3)(9.81)(0.6) 2 − 1)] = 1 ] + (350)[0.6( + [−(3)(9.81)(0.6) ) vB 2 − 1)] = 2 22 0 + 2 0 + (350)(0.6) 2 1 2 0 + 0 + (350)(0.6)2 2 2 11 2 1 2 00+ 2(350)(0.6) 20 − (350)(0.6) +00+ + (350)(0.6) +17.66 0+ + 10.81 =22 63.0 1.5 vB 2 1.5 v 2 − 17.66 + 10.81 = 63.0 22 − 17.66 + 10.81 = 63.0 1.5 v 2 ⇒ v = 6.82 −m/s 17.66 + 10.81 = 63.0 1.5 v B B +B10.81 = 63.0 1.5 vB − 17.66 Semaine 3 ⇒ MEC2420 ⇒ vvBB = m/s ⇒ m/s = 6.82 6.82 m/s vB = 6.82 B ⇒ vB = 6.82 m/s 28 Problème 3/150 Le manchon de 10 kg glisse sur une tige verticale lisse et sa vitesse v1 atteint 2 m/s à son passage en A quand chaque ressort est allongé de 0.1 m. Calculez la vitesse v2 du manchon à son passage en B. Semaine 3 MEC2420 29 Problème 3/161 Un athlète de 80 kg porte une perche uniforme de 4.9m et 4.5 kg. Il approche à une vitesse v pour effectuer son saut et arrive tout juste à passer par-dessus la barre située à une hauteur de 5.5 m. Sa vitesse et celle de la perche à ce moment-là sont pratiquement nulles. Calculez la valeur minimum v requise pour effectuer ce saut. Durant l’approche, la perche et le centre de gravité du sauteur se trouvent tous deux à 1.1 m au dessus du sol. Semaine 3 MEC2420 30 Problème 3/163 Les wagons d’une montagne-russe ont une vitesse v1 = 90 km/h dans la portion inférieure du trajet. Déterminez leur vitesse v2 au point supérieur du rail. Négligez l’énergie perdue par frottement. (Attention: réfléchissez bien au changement d’énergie potentielle de l’ensemble des wagons.) Semaine 3 MEC2420 31 Problème 3/165 Calculez la vitesse maximum du mobile B si le système est relâché du repos avec x = y. Le mouvement se déroule dans le plan vertical. Supposez que la friction est négligeable. Les deux mobiles ont des masses égales et le mouvement se limite à y ≥ 0. Semaine 3 MEC2420 32