TD M7 : Eléments de dynamique d`un solide et d`un système

Mécanique – Deuxième partie
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TD M7 : Eléments de dynamique d’un solide et d’un système
déformable
Mécanique – Deuxième partie
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TD M7 : Eléments de dynamique d’un solide et d’un système
déformable
But du chapitre
Etendre les résultats de dynamique et d’énergétique concernant les points matériels à des
systèmes formés d’un nombre quelconque de points.
Etudier le mouvement d'un solide en rotation autour d’un axe.
Plan prévisionnel du chapitre
I – Solide et système déformable
Distinguer un solide d’un système déformable.
II – Rappels de la cinématique du solide vue dans le chapitre M1
) Translation d’un solide
Reconnaitre et décrire une translation rectiligne, une translation circulaire.
) Rotation d’un solide autour d’un axe fixe
Dans le cas d’une rotation autour d’un axe fixe, décrire la trajectoire d’un point quelconque
d’un solide et exprimer sa vitesse en fonction de sa distance à l’axe et de la vitesse
angulaire.
III – Loi de la quantité de mouvement
) Quantité de mouvement d’un système
Savoir que la quantité de mouvement d’un système de masse m et de centre d’inertie G en
mouvement dans le référentiel R s’écrit
/
/
( )
R
R
p mv G
=
.
) Loi de la quantité de mouvement
Savoir que l’application de la loi de la quantité de mouvement à un système non ponctuel
permet de prévoir uniquement le mouvement du centre d’inertie G du système.
IV – Loi du moment cinétique
) Moment cinétique d’un système
Ecrire le moment cinétique par rapport à un point A d’un système de n points matériels Mi.
Ecrire le moment cinétique par rapport à un axe orienté d’un système de n points matériels
M
i
.
Dans le cas d’un solide en rotation autour d’un axe, exprimer le moment d’inertie
J
du
solide par rapport à l’axe .
Relier qualitativement le moment d’inertie à la répartition des masses.
Dans le cas d’un solide en rotation autour d’un axe, exprimer le moment cinétique scalaire
L
du solide en fonction de
J
et de la vitesse angulaire de rotation
du solide autour de
l’axe .
Maitriser le caractère algébrique du moment cinétique scalaire.
Exploiter la relation pour le solide entre le moment cinétique scalaire, la vitesse angulaire de
rotation et le moment d’inertie fourni.
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Raisonnement du cours n°1 : On considére un solide en rotation à la
vitesse angulaire
(
)
t
ω
autour de l’axe
(
)
A,
u
∆ =
. Chaque point
M
i
(masse m
i
) du solide a une trajectoire circulaire, parcourue à la
vitesse angulaire
. On note
H
i
étant le projeté orthogonal de
M
i
sur
l’axe
,
H M
i i i
r
=
la distance du point
M
i
à l’axe
, et on utilise
la base cylindrique
(
)
, ,
r
u u u
θ
  
.
1°) Exprimer le vecteur vitesse
i
v
et le vecteur position
i
AM
du point
M
i
(r
i
; z
i
) dans la base cylindrique
(
)
, ,
r
u u u
θ
  
.
2°) Exprimer le moment cinétique du point Mi par rapport à A
( )
A i
L M
.
3°) Exprimer le moment cinétique du point Mi par rapport à l'axe
L ( )
i
M
.
4°) Exprimer le moment cinétique du solide par rapport à l'axe
L
.
On peut écrire
L J
ω
∆ ∆
=
J
est le moment d'inertie du solide.
5°) Quelle est la dimension de
J
? Quelle est son unité dans le système international d'unités ?
6°) Exprimer
J
.
) Moment des forces qui s’exercent sur un système
Calculer le moment d’une force par rapport à un axe orienté en utilisant le bars de levier.
Définir un couple.
Définir une liaison pivot et justifier le moment qu’elle peut produire.
Savoir qu’un moteur ou un frein contient nécessairement un stator pour qu’un couple puisse
s’exercer sur le rotor.
) Loi vectorielle
Enoncer la loi du moment cinétique par rapport à un point fixe A dans le cas d’un système
fermé non ponctuel.
) Loi scalaire
Enoncer la loi du moment cinétique par rapport à axe orienté fixe dans le cas d’un système
fermé non ponctuel.
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) Application à un solide en rotation autour d’un axe fixe
Ecrire la loi du moment cinétique par rapport à axe orienté fixe dans le cas d’un solide en
rotation autour d’un axe fixe.
) Application au pendule pesant
Établir l’équation du mouvement.
Expliquer l’analogie avec l’équation de l’oscillateur harmonique.
Établir une intégrale première du mouvement.
Lire et interpréter le portrait de phase : bifurcation entre un mouvement pendulaire et un
mouvement révolutif.
Approche numérique : utiliser les résultats fournis par un logiciel de résolution numérique
ou des simulations pour mettre en évidence le non isochronisme des oscillations.
Raisonnement du cours n°2 : Un exemple simple de solide en pivot
parfait est le pendule pesant. Il s’agit d’un solide, pouvant osciller
librement autour d’un axe horizontal
.
Sa position est repérée par l’angle
θ
entre la verticale et le vecteur
OG

.
Imaginons qu’initialement le solide soit lâché sans vitesse initiale
avec un angle
0
θ
. Il va alors effectuer des oscillations autour de la
position
0
θ
=
. Nous allons mettre en œuvre les notions étudiées
précédemment.
1°) Exprimer les moments des actions qui s'exercent sur le solide par rapport à l'axe .
Rappel important : Le signe de
(
)
F
M
correspond au sens dans lequel
F
tend à faire tourner
M
autour de
(
)
,
e
.
(
)
0
F
>
M
si
F
a tendance à faire tourner
M
dans le sens direct
autour de l’axe.
(
)
0
F
<
M
si
F
a tendance à faire tourner
M
dans le sens indirect autour de
l’axe. Si
(
)
0
F
=
M
, la force n’a pas tendance à faire tourner
M
autour de
. Dans ce cas,
F
est soit parallèle à l’axe, soit dirigée vers celui-ci.
2°) Établir l’équation du mouvement.
3°) Expliquer l’analogie avec l’équation de l’oscillateur harmonique.
Une résolution numérique de l'équation du mouvement pour différentes vitesses angulaires initiales
a permis de tracer les courbes suivantes :
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.
4°) Commenter les courbes tracées ci-dessus en vous interessant en particulier à l'isochronisme des
oscillations et à la courbe grise.
Une résolution numérique de l'équation du mouvement pour différentes vitesses angulaires initiales
a permis de tracer le portrait de phase du pendule pesant
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