[PDF] Cours de Mécanique des Systèmes de Solides Indéformables





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Polycopié dexercices et examens résolus: Mécaniques des

Calcul Vectriel-Torseurs. Page 5. Exercices et examens résolus: Mécaniques des Systèmes de Solides Indéformables. M. BOURICH. 5. Objectifs : Différencier entre 



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de Marrakech. préparation efficace des examens que pour l'acquisition d'une solide culture ... Exercice : Vérifier que ?[?1(O) ] est un torseur.



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L'origine : le point d'application. ? La direction : la droite qui porte le vecteur. Elle est définie par l'angle ? mesuré entre un axe de.



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MECANIQUE DU POINT MATERIEL

5.3- Exercices : (1) Trouver l'expression du rayon de courbure d'une courbe définie par ses équations paramétriques :.





Exercice 1 : (2 pts) Exercice 2 : (4 pts)

6) Calculer le rayon de courbure de la trajectoire de . 7) Déterminer les expressions des vecteurs unitaires ? et ?. Exercice 4 (10 pts). Soient.



On considère une courbe sur laquelle se déplace un point matériel

3) Calculer la vitesse ??? et l'accélération ?? du point dans . Page 2. M. Bourich. Page 2. Exercice 2: Soit 



Exercices et examens résolus: Mécaniques des Systèmes de

Ce recueil d’exercices et examens résolus de mécanique des systèmes indéformables est issu de l’enseignement que je dispense depuis 2004 Il est destiné à être un support pédagogique pour les étudiants de la deuxième année de ENSA Il n’est pas nécessaire de souligner l’intérêt que peuvent trouver les étudiants



h i q - ENSA de Marrakech: Ecole d'ingénieurs

Marrakech Responsable : I OUASSOU Concours d’entr´ee en 1ere´ ann´ee de l’ENSA de Marrakech Epreuve de math´ematiques (dur´ee 1h15min) Remarques importantes 1) La documentations les calculatrices et les t´el´ephones portables sont interdites 2) Parmis les r´eponses propos´ees elle n’y a qu’une qui est juste



Ecole Nationale des Sciences Appliqu´ees ann´ee de l’ENSA de

Universit´e Cadi Ayyad 29 Juillet 2003 Ecole Nationale des Sciences Appliqu´ees Marrakech Concours d’entr´ee en 1ere´ ann´ee de l’ENSA de Marrakech Epreuve de math´ematiques (dur´ee 1h30mn)



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UNIVERSITE CADI AYYAD Marrakech le 25-07-2007 ECOLE NATIONALE DES SCIENCES APPLIQUEES MARRAKECH ***** Responsables : A EL OUALKADI & K FAITAH Concours d’entrée en première année du cycle préparatoire de l’ENSA de Marrakech Epreuve de physique (Durée 1h30min) Remarques importantes :

Quelle est la deuxième ENSA au Maroc ?

    L’ENSA Agadir a été créée en 1999, ce qui fait d’elle la deuxième ENSA au Maroc. Il s’agit de l’école d’ingénieurs de l’Université Ibn Zohr qui a pour mission principale de former des ingénieurs d’Etat pluridisciplinaires capables d’occuper des postes de responsabilité dans les 6 filières qu’elle offre.

Qu'est-ce que les filières ENSA Maroc?

    Les filières ENSA Maroc correspondent alors à la spécialisation du diplôme livré à la fin de la formation. Ce qui veut dire que, l’élève ingénieur à l’ENSA est graduellement spécialisé durant toutes les 5 années de sa formation.

Qu'est-ce que le réseau ENSA Maroc?

    Nous vous rappelons que le réseau ENSA est un groupe d’écoles d’ingénieurs présent dans 11 villes du Maroc. La formation aux ENSA s’étale sur une durée de 5 ans, sanctionnée par un diplôme d’état. Les filières ENSA Maroc correspondent alors à la spécialisation du diplôme livré à la fin de la formation.

Comment s’inscrire à l’École ENSA Maroc ?

    Lire plus Inscription ENSA 2020-2021 Maroc Ecole Nationale des Sciences Appliquées de casablanca fes rabat Kenitra tanger hoceima settat agadir marrakech Oujda eljadida dakhla, et pour accéder à l’une des écoles du réseau ENSA Maroc, le bachelier doit faire sa candidature sur le site dédié à cela.

Cours de Mécanique des Systèmes de

Solides Indéformables

M. BOURICH (ENSAM)

Deuxième édition 2014

AVANT²PROPOS

Ce manuel est un cours de base de la mécanique des systèmes de solides indéformables,

SMUPLŃXOLqUHPHQP GHVPLQp MX[ pPXGLMQPV GH OM GHX[LqPH MQQpH GH O·eŃROH 1MPLRQMOH GHV 6ŃLHQŃHV $SSOLTXpHV

de Marrakech. La première édition du présent manuel est constituéH GX ŃRXUV TXH Ó·ML MVVXUp HQPUH 2004

et 2010, en deuxième année SMP à la faculté poly-disciplinaire de Safi. Cette seconde édition respecte le

ŃRQPHQX GX GHVŃULSPLI GH OM PpŃMQLTXH GHV V\VPqPHV GH VROLGHV LQGpIRUPMNOHV GH OM ILOLqUH (*7 GH O·eŃROH

Nationale des Sciences Appliquées de Marrakech, accréditée.

L'objectif de ce cours est d'apporter une contribution à l'acquisition d'une culture scientifique de

base permettant une meilleure compréhension des lois du mouvement et la maîtrise dans le maniement

des outils de la mécanique.

FOMTXH ŃOMSLPUH V·RXYUH SMU OM SUpŃLVLRQ GHV RNÓHŃPLIV HP GHV ŃRPSpPHQŃHV YLVpHVB I·LQPURGXŃPLRQ GH

pourra relater les événements PMUTXMQPV GH O·OLVPRLUH GH OM PpŃMQLTXHB

Conformément au descriptif de la mécanique des systèmes de solides indéformables, le cours est

articulé en sept chapitres :

Calcul vectoriel-Torseurs,

Cinématique du solide,

Géométrie des masses,

Cinétique du solide,

Dynamique du solide,

Liaisons-Forces de liaison,

0RXYHPHQP G·XQ VROLGH MXPRXU G·XQ SRLQP RX G·XQ M[H IL[HVB

3RXU O·pOMNRUMPLRQ GH ŃH ŃRXUV SRO\ŃRSLp Ó·ML XPLOLVp GH QRPNUHXVHV UHVVRXUŃHV SpGMJRJLTXHV

citées en bibliographie : ouvrages, sites Web et le polycopié de mon cher enseignant Monsieur M.

Hasnaoui.

Gageons que ce cours constituera un précieux outil pédagogique pour les étudiants, tant pour une

SUpSMUMPLRQ HIILŃMŃH GHV H[MPHQV TXH SRXU O·MŃTXLVLPLRQ G·XQH VROLGH ŃXOPXUH VŃLHQtifique.

M.Bourich

Illustration de couverture :

GALILÉE (Galileo Galilei, 1564-1642)

(Source : https://www.delcampe.net)

Mathématicien, philosophe et astronome italien. Il utilisa le premier, en 1610, un système optique

pour observer le ciel et révolutionna l'observation de l'Univers. Il découvrit l'inégalité de la surface de la

Lune, les 4 étoiles (satellites) autour de Jupiter, Saturne au triple corps (les anneaux), les phases de

Vénus, et résolut la Voie Lactée en étoiles.

Il fut un des précurseurs de la mécanique classique (celle de Newton), introduisant l'usage des

mathématiques pour l'explication des lois de la physique. Il établit la loi de la chute des corps dans le vide,

et donna une première formulation du principe de relativité. Il défendit ardemment les thèses

héliocentriques de Copernic. Contraire aux Saintes Ecritures, le livre écrit sur le sujet fut interdit et les

exemplaires saisis et brûlés.

A 70 ans (en 1634), jugé par l'église catholique, il fut accusé d'hérésie et dut prononcer un serment

d'abjuration pour ne pas être condamné à mort sur le bûcher. L'Église l'a réhabilité seulement en 1992.

Table des matières

AVANT²PROPOS ................................................................................................................................................................................................... 2

PLAN D·ÉTUDE D·UN SYSTÈME MÉCANIQUE ............................................................................................................................................................... 7

CALCUL VECTORIEL - TORSEURS...................................................................................................................................................................... 10

I² Approche historique ........................................................................................................................................................................... 10

II² Définitions ........................................................................................................................................................................................... 10

1 ² Espace vectoriel ........................................................................................................................................................................... 10

2 - Espace vectoriel Euclidien .......................................................................................................................................................... 10

II- Espace Affine-Espace Métrique ....................................................................................................................................................... 10

1 ² Espace affine ................................................................................................................................................................................. 10

2 - Espace métrique ............................................................................................................................................................................ 11

III² Vecteurs-0RPHQP G·XQ YHŃPHXU ...................................................................................................................................................... 11

1- Introduction ...................................................................................................................................................................................... 11

2- Vecteur lié-Vecteur glissant ........................................................................................................................................................ 11

3 - Opérations sur les vecteurs ....................................................................................................................................................... 11

4- 0RPHQP G·XQ YHŃPHXU HQ XQ SRLQP............................................................................................................................................... 12

IV- Torseurs .............................................................................................................................................................................................. 13

1 - Introduction .................................................................................................................................................................................... 13

2- Application antisymétrique ......................................................................................................................................................... 13

3- Champ antisymétrique ................................................................................................................................................................. 14

4- Torseurs .......................................................................................................................................................................................... 15

CINÉMATIQUE DU SOLIDE ................................................................................................................................................................................. 20

I. Approche historique ........................................................................................................................................................................... 20

II. Espace Repère-Solide rigide ........................................................................................................................................................... 20

1- Espace repère ................................................................................................................................................................................ 20

2- GpILQLPLRQ G·XQ VROLGH ULJLGH ........................................................................................................................................................ 20

III. Notion des Champs des Vitesse et des Accélérations ............................................................................................................... 21

1-Introduction ...................................................................................................................................................................................... 21

2-FOMPS GHV YLPHVVHV G·XQ VROLGH .................................................................................................................................................. 21

3- FOMPS GHV MŃŃpOpUMPLRQV G·XQ VROLGH ....................................................................................................................................... 21

IV. Mouvements de translation-rotation-tangent ............................................................................................................................ 22

1- Mouvement de translation ........................................................................................................................................................... 22

2- 5RPMPLRQ G·XQ VROLGH MXPRXU G·XQ M[H IL[H ................................................................................................................................ 22

3- Mouvement hélicoïdal .................................................................................................................................................................. 23

4- 0RXYHPHQP JpQpUMO G·XQ VROLGH : Mouvement tangent ......................................................................................................... 23

IV- Composition des Mouvements ....................................................................................................................................................... 24

1- Dérivation vectorielle ................................................................................................................................................................... 24

2- Composition des vitesses ........................................................................................................................................................... 25

3- Composition des vecteurs rotations ....................................................................................................................................... 25

4- Composition des accélérations ................................................................................................................................................. 26

V- Cinématique des solides en contact............................................................................................................................................. 26

1- Vitesse de glissement ................................................................................................................................................................... 27

2- Roulement et pivotement ............................................................................................................................................................ 28

VI- 0RXYHPHQP SOMQ G·XQ VROLGH ............................................................................................................................................................ 28

1- Définition ......................................................................................................................................................................................... 28

2- Centre instantané de rotation (C.I.R.) ...................................................................................................................................... 29

3- Base et roulante-Étude analytique ........................................................................................................................................... 29

GÉOMÉTRIE DES MASSES ................................................................................................................................................................................. 35

I. Approche historique ...........................................................................................................................................................................35

II. Masse - Centre de Masse .................................................................................................................................................................35

1- Définition .........................................................................................................................................................................................35

2- Centre de masse ......................................................................................................................................................................... 36

3- Théorème de Guldin .................................................................................................................................................................... 36

Les méthodes pratiques de recherche de G dans le cas de corps homogènes : ............................................................... 36

4- Centre de masse de volume ou de surface homogènes présentant un axe de révolution ......................................... 38

HHHB 0RPHQP G·LQHUPLH - 2SpUMPHXU G·LQHUPLH ....................................................................................................................................... 38

1- Définitions ...................................................................................................................................................................................... 38

2- 0RPHQP G·LQHUPLH .......................................................................................................................................................................... 39

Les relations entre ces grandeurs :On peut écrire .................................................................................................................. 39

3- 2SpUMPHXU G·LQHUPLH HQ XQ SRLQP 2 ............................................................................................................................................. 40

IV- 0MPULŃH G·LQHUPLH-0MPULŃH SULQŃLSMO G·LQHUPLH............................................................................................................................... 41

1- 0MPULŃH G·LQHUPLH ............................................................................................................................................................................. 41

2- 0MPULŃH SULQŃLSMOH G·LQHUPLH ....................................................................................................................................................... 42

V- Théorème de Huygens ...................................................................................................................................................................... 43

1- 5HOMPLRQ HQPUH OHV RSpUMPHXUV G·LQHUPLH G·XQ V\VPqPH HQ GHX[ SRLQPV .............................................................................. 43

2- Théorème de Huygens .................................................................................................................................................................... 1

VI- Exemple de corps homogènes classiques ............................................................................................................................. 44

CINÉTIQUE DU SOLIDE ...................................................................................................................................................................................... 49

I. Introduction ........................................................................................................................................................................................... 49

II. Définitions des cinq quantités cinétiques ...................................................................................................................................... 49

III. Torseur Cinétique ............................................................................................................................................................................... 49

1- Quantité de Mouvement ................................................................................................................................................................ 49

2- Moment Cinétique ........................................................................................................................................................................ 50

IV. Torseur Dynamique [D] ..................................................................................................................................................................... 52

1. Quantité d'accélération (résultante dynamique) .................................................................................................................... 52

2- Moment dynamique ......................................................................................................................................................................53

3- Autres résultats ........................................................................................................................................................................... 54

V. Énergie Cinétique ................................................................................................................................................................................ 56

1- Introduction ................................................................................................................................................................................... 56

2- GHX[LqPH POpRUqPH GH .±QLJ .................................................................................................................................................. 56

DYNAMIQUE DU SOLIDE .................................................................................................................................................................................... 60

I. Approche historique............................................................................................................................................................................ 60

II. Principe Fondamental de la Dynamique - Théorèmes Généraux .............................................................................................. 60

1- Introduction ................................................................................................................................................................................... 60

2- Torseur des forces appliquées à (S) ...................................................................................................................................... 60

3- Classification des forces ............................................................................................................................................................. 61

4- Principe fondamental de la dynamique (PFD) ou axiome de la dynamique ..................................................................... 61

5- 7OpRUqPH GHV LQPHUMŃPLRQV RX POpRUqPH GH O·MŃPLRQ HP GH OM UpMŃPLRQ ............................................................................ 62

III- Changement de repère - Repère galiléen ................................................................................................................................... 63

1- Position du Problème ................................................................................................................................................................... 63

2- 7RUVHXU G\QMPLTXH G·HQPUMvQHPHQP-Torseur dynamique de Coriolis .............................................................................. 63

IV. Travail et puissance ........................................................................................................................................................................... 64

1- 3XLVVMQŃH G·XQ ŃRXSOH MSSOLTXp j XQ VROLGH ............................................................................................................................. 64

2- 3XLVVMQŃH G·XQ PRUVHXU GH IRUŃHV MSSOLTXpHV j XQ VROLGH .................................................................................................. 64

3- Puissance du torseur des forces appliquées à un système matériel (S) ...................................................................... 65

4- 7OpRUqPH GH O·pQHUJLH ŃLQpPLTXH .............................................................................................................................................. 66

LIAISONS - FORCES DE LIAISON ...................................................................................................................................................................... 70

I. Introduction ........................................................................................................................................................................................... 70

II. Liaisons-Actions de contact .............................................................................................................................................................. 70

1- Définition ......................................................................................................................................................................................... 70

2- Liaisons ........................................................................................................................................................................................... 70

3- Liaison holonome ........................................................................................................................................................................... 71

4- Action de contact ........................................................................................................................................................................... 71

III. Lois de Coulomb ................................................................................................................................................................................... 71

1- Approche historique ...................................................................................................................................................................... 71

2- Réaction normale ......................................................................................................................................................................... 72

3- Réaction tangentielle ................................................................................................................................................................... 72

4- Vitesse de rotation de pivotement-roulement ....................................................................................................................... 73

5- Puissance totale des actions de contact ................................................................................................................................ 73

H9B ([HPSOH G·MSSOLŃMPLRQ PRXYHPHQP G·XQH VSOqUH VXU XQ SOMQ LQŃOLQp..................................................................................... 74

MOUVEMENT D·UN SOLIDE AUTOUR D·UN POINT OU D·UN AXE FIXES ................................................................................................................ 79

I- Approche historique ............................................................................................................................................................................ 79

II- 5RPMPLRQ G·XQ 6ROLGH MXPRXU G·XQ 3RLQP )L[H $QJOHV G·(XOHU .................................................................................................... 79

1- $QJOHV G·(8I(5 ............................................................................................................................................................................... 79

2- Moment cinétique en O du solide : ........................................................................................................................................... 80

3- Moment dynamique en O: ........................................................................................................................................................... 80

4- Énergie cinétique: ........................................................................................................................................................................ 80

III- Exemple de la toupie symétrique sur sa pointe fixe O ............................................................................................................... 81

9HB 6ROLGH PRNLOH MXPRXU G·XQ M[H IL[H ........................................................................................................................................... 84

1. Exemple ............................................................................................................................................................................................ 84

2. Énergie cinétique .......................................................................................................................................................................... 85

3. Mouvement du centre de gravité ............................................................................................................................................. 85

BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................................................................................................ 87

Mécanique des systèmes de solides indéformables

M.BOURICH 7

PLAN D·ÉTUDE D·UN SYSTÈME MÉCANIQUE Définir le système mécanique étudié : (S)

Étude cinématique :

vecteurs rotation vecteurs vitesses veteurs accélérations "B

Géométrie de masse :

masse

ŃHQPUH GH PMVVH G·LQHUPLH

PMPULŃH G·LQHUPLH ""

Étude cinétique :

déterminer les torseurs des actions mécaniques extérieures agissant sur (S) et les ramener en des points judicieusement choisis

Étude dynamique :

application des théorèmes généraux au système (S)

5pVROXPLRQ GH V\VPqPH GLIIpUHQPLHO SRXU O·RNPHQPLRQ GHV

équations du mouvement de (S)

Mécanique des systèmes de solides indéformables

M.BOURICH 8

1

Chapitre

Calcul Vectoriel-Torseurs

Mécanique des systèmes de solides indéformables

M.BOURICH 9

Objectifs :

Définir un torseur (torsur symétrique et anti-symétrique, invariants scalaires) ;

Décomposer un torseur (couple et glisseur) ;

Comprendre la notion de torseur équiprojectif ; Décrire OHV pOHPHQPV GH UpGXŃPLRQ G·XQ PRUVHXU ;

Déterminer l·M[H ŃHQPUMOB

Galilée : (1564-1642)

La philosophie est écrite dans ce grand livre, l'univers, qui ne cesse pas d'être ouvert devant nos yeux. Mais ce livre ne peut se lire si on ne comprends pas le langage et on ne connaît pas les caractères avec lesquels il est écrit. Or, la langue est celle des mathématiques, et les caractères sont triangles, cercles et d'autres figures géométriques. Si on ne les connaît pas, c'est humainement impossible d'en comprendre même pas un seul mot. Sans eux, on ne peut qu'aller à la dérive dans un labyrinthe obscur et inextricable". G. Galilei, "Il Saggiatore",

Rome, 1623

Mécanique des systèmes de solides indéformables

M.BOURICH 10

CALCUL VECTORIEL - TORSEURS

I² Approche historique

Pour les problèmes de physique, l'Allemand Hermann Grassman (1809-

premiers à utiliser la notation vectorielle. L'Américain Gibbs (1839-1903) et l'Anglais Heaviside

(1850-1925), disciples de Hamilton (l'un des premiers à utiliser la notion de vecteur), donnent au

calcul vectoriel sa forme quasi définitive. fondamental pour la bonne application des lois de la mécanique.

II² Définitions

1 ² Espace vectoriel

éments

(vecteurs) qui vérifient les propriétés suivantes: - , K et

EvuF&,

, on a : et

2 - Espace vectoriel Euclidien

fait correspondre le nombre réel tel que: ( égalité si )

Notation:

II- Espace Affine-Espace Métrique

1 ² Espace affine

ordonné de deux points A et B (bipoints), on fait correspondre un vecteur vectoriel E et si A, B et C , on a:

O et E, ! A défini par

OOF&&&uvuv POPF&uuEv,uF&fuvF&,fuvF&,fvuF&,fuvfuvF&&&,,O fuvwfuvfuwF&&&&&&,,, fuuF&,0F&u0fuvuvF&&&,quotesdbs_dbs1.pdfusesText_1

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