Loi de Newton pour la rotation autour d`un axe Application : le
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23 avril 2013 Loi de Newton pour la rotation autour d’un axe d~ `∆ où dt ~` = ~r ∧ m ~v = ~r ∧ p~ . ~∆ = Pour une particule : M ~ ∆ = ~r ∧ F~ M et Pour un ensemble de particules i : définissons : X X ~ ~ M∆ = M∆,i = ~ri ∧ F~i = somme des moments des i i forces extérieures s’exerçant sur le solide ou sur les particules et X ~`i = I ∆ ~ω = moment cinétique du solide ~ L∆ = i ou de l’ensemble des particules. I∆ est le moment d’inertieX du solide ou de l’ensemble des particules par rapport à l’axe ∆. I∆ = mi ri2 avec ri = distance à l’axe. i Nous avons alors, pour un solide en rotation autour d’un axe ∆ : ~∆ = M ~∆ dL dt Parallèle entre la translation et la rotation autour d’un axe Translation Masse m Vitesse ~v Quantité de mouvement p~ Force F~ Equation de Newton : d p~ F~ = dt Rotation Moment d’inertie I∆ Vitesse angulaire ~ω ~ ∆ = ~r ∧ p~ Moment cinétique L ~ ∆ = ~r ∧ F~ Moment de force M Equation de Newton pour la rotation : ~∆ dL ~ M∆ = dt Application : le gyroscope Hypothèse de travail : la vitesse de rotation du volant autour de son axe est bien supérieure à tout autre vitesse de rotation. Gyroscope équilibré : l’axe de rotation du volant coı̈ncidant avec la vitesse angulaire ~ω , cet axe est fixe dans le référentiel d’inertie où nous appliquons la loi de Newton pour les rotations : ~∆ dL −−−−→ ~ ~ ∆ = I ∆ ~ω = − M = 0 = ⇒ L constant dt Gyroscope déséquilibré : sous l’hypothèsse que ω est très grand, le ~ puisque gyroscope précesse dans le sens donné par M ~∆ = M ~ dt dL Conservation du moment cinétique Si la résultante du moment des forces extérieures est nulle −−→ ~ = − ~i = L ~f . système est isolé : L const. ou L ou si le Application : le mouvement des planètes. La force d’attraction du Soleil sur les planètes est dirigée de la planète vers le centre du Soleil (force “centrale”). Le moment de cette force par rapport au Soleil est nul ; la conséquence est que le moment cinétique de la Terre (comme celui des autres planètes) est une constante vectorielle. • La trajectoire de la Terre est plane (l’ellipse est une figure plane) ; en effet, le plan de la trajectoire est défini par le rayon vecteur ~r et la vitesse ~v et est donc perpendiculaire au vecteur moment cinétique ~` = ~r ∧ m~v ; comme ~` est une constante vectorielle, le plan de la trajectoire ne varie pas. • Le rayon vecteur Soleil-Terre balaie des aires égales en des intervalles de temps égaux (loi des aires de Kepler). • Le moment cinétique de rotation de la Terre sur son axe est aussi conservé. Comme cet axe est incliné par rapport au plan de l’écliptique, il y a des saisons sur Terre. Annonce importante : Du au manque de temps, le paragraphe sur l’Hydrostatique (Phys 105.pdf) ne sera pas traité et donc ne fera pas l’objet d’interrogation à l’examen. Le 23 avril, nous aborderons l’hydrodynamique (Phys 129.pdf).
