2010 2011 Cours de Mécanique du Solide Amelie Caissial – Quentin Grandemange ESSTIN – 2A S2 2010 2011 Chapitre 1 : Opérations Vectorielles, Torseurs – Rappels. Sommaire I. Opérations sur les vecteurs – Rappels ............................................................................................ 3 1) 1 Produit scalaire ............................................................................................................................ 3 A) Définition ................................................................................................................................. 3 B) Propriétés ................................................................................................................................ 3 C) Applications ............................................................................................................................. 3 D) Expression analytique.............................................................................................................. 3 2) Produit vectoriel .......................................................................................................................... 3 A) Définition ................................................................................................................................. 3 B) Interprétation géométrique .................................................................................................... 4 C) Propriétés ................................................................................................................................ 4 D) Expression analytique.............................................................................................................. 4 E) Formule du double produit vectoriel (formule de Gibbs) ....................................................... 4 3) Division vectorielle ...................................................................................................................... 4 4) Produit mixte ............................................................................................................................... 5 II. A) Définition ................................................................................................................................. 5 B) Propriété : Permutation circulaire ........................................................................................... 5 Torseur ............................................................................................................................................ 5 1) Définition ..................................................................................................................................... 5 2) Torseur associé à un ensemble de glisseurs................................................................................ 6 A) Ensemble fini de glisseurs ....................................................................................................... 6 B) Ensemble infini de glisseurs .................................................................................................... 6 3) Invariants ..................................................................................................................................... 6 4) Point central – Axe central d’un vecteur ..................................................................................... 6 A) Point central – Définition ........................................................................................................ 6 B) Axe central – Définition ........................................................................................................... 7 C) Recherche de l’axe central ...................................................................................................... 7 5) Opérations sur les torseurs ......................................................................................................... 7 A) Addition ................................................................................................................................... 7 B) Multiplication par un réel 𝜆 ..................................................................................................... 7 6) Torseurs spéciaux ........................................................................................................................ 8 7) Moment d’un torseur – d’un axe ................................................................................................ 8 8) Co-moment (produit) de deux torseurs ...................................................................................... 8 III. A) Définition ................................................................................................................................. 8 B) Propriétés ................................................................................................................................ 9 Champ équiprojectif .................................................................................................................... 9 1) Définition ..................................................................................................................................... 9 2) Théorème .................................................................................................................................... 9 2 I. Opérations sur les vecteurs – Rappels 1) Produit scalaire A) Définition ⃗ ⃗ est un réel. ⃗ ⃗ 3 ‖⃗ ‖ ‖⃗ ‖ ⃗ ⃗ B) Propriétés Symétrie : ⃗⃗ Distributivité : ⃗⃗ Multiplicité par un réel : ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ Carré scalaire : ⃗⃗⃗⃗ ‖⃗ ‖ Cas de nullité : o ⃗⃗ o ⃗⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗⃗ (⃗ ⃗⃗⃗⃗ ) ⃗ ⃗ ⃗ ⃗⃗ ⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ ⃗ ⃗ C) Applications Si sont les vecteurs unitaires d’une base orthonormée (⏊) : ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ D) Expression analytique Dans une base ⏊, le produit scalaire des deux vecteurs ⃗⃗⃗ et ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ 2) Produit vectoriel A) Définition Le produit vectoriel des deux vecteurs ⃗ et ⃗ est le vecteur ⃗ ⃗ ⃗ soit ⏊ au plan ⃗ ⃗ Le repère ⃗ ⃗ ⃗ ⃗ soit direct ⃗ ⃗ ‖ ⃗ ⃗ ‖ ‖ ⃗ ‖ ‖⃗ ‖ ⃗ tel que : s’écrit : B) Interprétation géométrique ⃗ ⃗ ⃗ D A La norme du produit vectoriel ⃗ représente la surface du parallélogramme ABCD. ⃗ ⃗ 4 C B C) Propriétés Antisymétrie : ⃗⃗ ⃗ ⃗ ⃗⃗ Distributivité sur l’addition : ⃗⃗ Multiplication par un réel : ⃗⃗ Cas de nullité : o Un des vecteurs est nul o Les deux vecteurs sont colinéaires (⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗ ) ⃗⃗ ⃗⃗ ⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗ D) Expression analytique Dans une base orthonormée directe, le produit vectoriel des deux vecteurs ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ s’écrit : ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ | ⃗ | et ⃗ ⃗ E) Formule du double produit vectoriel (formule de Gibbs) ⃗⃗ (⃗ ⃗⃗⃗⃗ ) (⃗⃗ ⃗⃗⃗ ) ⃗ ⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗ 3) Division vectorielle et ⃗ non nuls déterminant l’ensemble des vecteurs tel que : problème n’est possible que si les deux vecteurs et ⃗ sont orthogonaux. Soit deux vecteurs On considère un plan (𝜋 ) ⃗ . Le On considère un plan (𝜋) orthogonal à ⃗ . Alors ⃗ et ⃗⃗⃗⃗ 𝜆 sont inclus dans (𝜋). Soit ⃗⃗⃗⃗ un vecteur particulier tel que ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ). On peut écrire : ⃗⃗⃗⃗ ⃗. ( 𝜋 𝜋 En multipliant par ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 5 ⃗⃗⃗⃗ ⃗ D’où la solution particulière : ⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗ . Pour obtenir la solution générale , on écrit : { ⃗⃗⃗⃗ la solution vérifie chaque membre : ⃗ ⇔ 𝜆 𝜆 ⃗ . Par différence : ⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗ , donc ⃗⃗⃗⃗ . D’où la solution générale sous forme paramétrique (de paramètre 𝜆) : ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ 𝜆 ⃗⃗⃗⃗ 4) Produit mixte A) Définition Le produit mixte des trois vecteurs ⃗ , ⃗ , ⃗⃗⃗ est le réel noté : ⃗ ⃗ ⃗⃗⃗ ⃗ ⃗ ⃗⃗⃗ B) Propriété : Permutation circulaire ( ⃗ ⃗ ⃗⃗⃗ ) II. ⃗ (⃗ ⃗⃗⃗ ) ⃗ ( ⃗⃗⃗ ⃗) ⃗⃗⃗ ( ⃗ ⃗) Torseur 1) Définition Un torseur { } est l’ensemble de deux champs vectoriels définis par : Un champ de vecteurs uniformes noté ⃗ , résultante de { } : ⃗ Un champ de vecteurs ⃗⃗⃗⃗⃗ : ⃗⃗⃗⃗⃗ Soit un point B : ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ∑ ⃗⃗ ∑ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ∑ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗ ∑ ⃗⃗ , ⃗⃗⃗⃗⃗ ∑ ⃗⃗ ⃗⃗ . ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ∑ ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ Formule du champ de moment d’un torseur. On a donc : { ⃗ { } ⃗⃗⃗⃗⃗ } avec ⃗⃗⃗⃗⃗ et ⃗ les éléments de réduction de { }. 2) Torseur associé à un ensemble de glisseurs 6 A) Ensemble fini de glisseurs { ⃗⃗⃗ ⃗ { } ⃗⃗⃗⃗⃗ } ∑ ⃗⃗ ∑ ⃗⃗⃗⃗⃗ { ⃗⃗ } B) Ensemble infini de glisseurs ∫ { ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ } ⃗⃗⃗⃗⃗ ∫ { ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ } 3) Invariants Entre deux points A et B de l’espace, si deux éléments de { } sont conservés, ils constituent les deux invariants du torseur : 1er invariant : la résultante ⃗ 2ème invariant : la projection du moment sur la résultante (ou auto-moment). En effet, on a : ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ( ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ) ⃗. ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ (⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗ ) d’où ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ . 4) Point central – Axe central d’un vecteur A) Point central – Définition Le point de l’espace où le moment du torseur a même direction que la résultante ⃗ . B) Axe central – Définition L’axe central d’un torseur – qui n’est pas un couple – est l’ensemble des points centraux. C’est-à-dire l’ensemble des points tels que ⃗ et ⃗⃗⃗⃗ soient colinéaires, ou proportionnels : ⃗⃗⃗⃗ 𝜆⃗ . 𝜆 est le pas du torseur. C) Recherche de l’axe central 7 { } { ⃗ } ⃗⃗⃗⃗⃗ Si est un point de l’axe central, alors : ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗ 𝜆⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗ 𝜆⃗ ⇔ ⃗ ⃗⃗⃗⃗ 𝜆⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ , on a : Par division vectorielle ⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ A ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ L’axe central est donc une droite passant par le point défini par ⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ , ⃗⃗⃗⃗ et parallèle à la résultante générale ⃗ du torseur. On a : ⃗⃗⃗⃗ 5) Opérations sur les torseurs A) Addition Au même point : { } { } ⃗ { ⃗⃗⃗⃗⃗ B) Multiplication par un réel 𝜆 𝜆{ } 𝜆⃗ { } 𝜆⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗ } ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ . 6) Torseurs spéciaux Un torseur spécial est un torseur dont l’auto-moment est nul : ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ . Quatre cas sont possibles : ⃗ Torseur nul : { ⃗⃗⃗⃗⃗ Torseur couple : { On a ⃗⃗⃗⃗⃗ } ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ } ⃗ or ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ d’où ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ . Le champ de vecteurs est uniforme. ⃗ { ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ } avec ⃗ ⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⇒ il existe un point P tel que ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ D’où { } { ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⇔ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⇔ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗. D’où { } est un glisseur en P. } Torseur glisseur : { ⃗. ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗ } (A est sur l’axe central) 7) Moment d’un torseur – d’un axe ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ A Le moment d’un torseur par rapport à un axe ⃗ est égal au produit scalaire (projection) de ⃗ (unitaire) avec le moment ⃗⃗⃗⃗⃗ du torseur. A quelconque de ⃗ . ⃗ Δ 8) Co-moment (produit) de deux torseurs A) Définition Le co-moment de deux torseurs { } et { } est le nombre réel suivant : { } { } ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗⃗ Notation qui sert en particulier à exprimer une puissance. ⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ 8 B) Propriétés Ce produit est : Commutatif Indépendant du point choisi. III. Champ équiprojectif 9 1) Définition Un champ de vecteurs V est équiprojectif si : ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗ 2) Théorème Le champ de moment d’un torseur est équiprojectif. On a ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ , on a : ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ (⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ) Donc on a : ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ (⃗⃗⃗⃗⃗ ⃗ ⃗⃗⃗⃗⃗ ) ⃗ . Si on multiplie par