Mécanique Rationnelle 2
exercices. Corrigés : Tenseur d'inertie. Page
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6.4.2 Théorème de l'énergie cinétique ………………………...203. 6.5 EXERCICES RESOLUS ………………………..…..…………..206. 6.6 EXERCICES SUPPLEMENTAIRES …………….………….....233.
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2.4.4 Exercices en application des théor`emes généraux de la dynamique . . . . 66. 2.4.4.1 Mouvement d'une barque dont un passager se déplace . . . . . . 66.
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REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L'ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHESCIENTIFIQUE
UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIE
MOHAMED BOUDIAF
FACULTE DE PHYSIQUE
CoursMécanique Rationnelle
Salim BAADJ
Ce cours est destiné aux étudiants 2émeANNEE LMDDomaine Sciences et Technologies
2021-2022
D O C B AContenu de la matière :
Chapitre 1 : Rappels mathématiques (éléments de calcul vectoriel).1.1. Vecteurs
1.1. Propriétés de base
1.2. Produit scalaire
1.3. Produit vectorielle
1.4. Produit Mixte
1.5. Projection des vecteurs
1.5.1. Projection orthogonale d'un vecteur sur un axe
1.5.2. Projection orthogonale d'un vecteur sur un plan
1.2. Torseurs
2.1. Définition :
2.2. Propriétés des torseurs
2.2.1. L'équivalence de deux torseurs :
2.2.2. Torseur nul :
2.2.3. Somme de deux torseurs :
2.2.4. Multiplication d'un torseur par un scalaire :
2.3.Axe central d'un torseur
2.4.Pas du torseur
2.5.Torseur couple
Exercices
Chapitre 2 : Statique
2.1. Généralités et définitions de base
2.1.1. Définition et sens physique de la force
2.1.2. Les systèmes de forces
2.1.3. Opérations sur la force (composition, décomposition, projection)
A. Décomposition géométrique d'une force
B. Résultante de deux forces concourantes
2.2. Statique.
2.2.1. Moment d'une force par rapport à un point
2.2.2. Moment d'une force par rapport à un axe
2.2.3. Théorème de Varignon
2.2.4. Condition d'équilibre statique
2.2.5. Liaisons, appui et réactions
Exercices
Chapitre 3 : cinématique du solide rigide.
3.1. Rappels sur les quantités cinématiques pour un point matériel.
3.2. Cinématique du corps solide
3.2.1. Définitions:
3.2.2. Champ des vitesses d'un solide en mouvement-Formule de Varignon:
3.2.3. Equiprojectivité du champ de vitesses d'un solide
3.2.4. Torseur cinématique
3.2.5. Champ des accélérations
3.3. Les lois de composition des mouvements
3.3.1. Composition des vitesses
3.3.2. Composition des accélérations
3.3.3. Compositiondes vecteurs rotations
3.4. Mouvements fondamentaux
3.4.1. Mouvement de translation:
3.4.2. Mouvement de rotation pur autour d'un axe:
3.4.3. Mouvement hélicoidal (translation+rotation)
3.4.4. Mouvement plansur plan
Exercice
Chapitre 4 : Géométrie de masse.
4.1 Masse d'un système matériel
4.1.1 Système continu
4.1.2. Système discret
4.2 Formulation intégrale du centre de masse
4.2.1. Définitions (cas linéaire, surfacique et volumique)
4.2.2 Formulation discrète du centre de masse
4.2.3 Théorèmes de GULDIN
4.3. Moment et produit d'inertie de solides
4.4. Tenseur d'inertie d'un solide
4.4.1 Cas particuliers
4.4.2 Axes Principaux d'inertie
4.5 Théorème d'Huygens
4.6 Moment d'inertie de solides par rapport à un axe quelconque.
5.6. Moment d'inertie de solides par rapport à un axe quelconque.
Exercices
Chapitre 6 : Dynamique du solide rigide.
5.1. Rappels sur les quantités dynamiques pour un point matériel
5.2. Élément de cinétique du corps rigide
5.2.5. Théorème de Koenig
A. 1er Théorème de Koenig pour le moment cinétique B. 2iém Théorème de Koenig pour l'énergie cinétique5.3. La dynamique d'un corps solide
5.3.2. Principe fondamental de la dynamique (PFD)
5.3.3. Travail et puissance d'une force
5.3.4. Théorème de l'énergie cinétique.
Exercice
AVANT-PROPOS
Ce manuel est un cours de base de la mécanique des systèmes de solides rigides (Mécanique Rationnelle), particulièrement destiné aux étudiants de premier cycle universitaire, domaine Science Technologies (ST). Cette première édition respecte le contenu du descriptif de la mécanique Rationnelle pour les filières Génie civil, Génie mécanique, Génie maritime, électronique et chimie, de l'université des sciences et de la technologies d'Oran Mohamed Boudiaf . Il est rédigé sous forme de cours détaillés, avec des applications et des exercices. Il est présenté d'une manière qui permet l'étudiant de comprendre facilement et très rapidement. Après une rappelle mathématique sur les vecteurs et les torseurs, ce polycopié aborde les trois axes fondamentaux de la mécanique: la statique, la cinématique, et la dynamique des solides, plus un chapitre concerne la géométrie des masses.Mr .BAADJ Salim. (MCB)
Faculté de Physique-USTO. MB
Tel. (+213) 0792 961 241
salimbaadj@hotmail.frChapitre 1
Rappels mathématiques
(Éléments de calcul vectoriel)Chapitre1 : Rappels Mathématiques
Mécanique Rationnelle, L2(LMD) S. BAADJ
6 A C A BChapitre1 :Rappels Mathématiques
1. Vecteurs:
1.1. Propriétés de base
est l'origine et d'autre point A est l'extrémité. a. Son Origine b. Sa direction c. Son sens d. Son module y et z, dans lequel :8,&= TA5,,,&+UA6,,,&+VA7,,,&.
44(A5,,,&,A6,,,&,A7,,,&) est une base orthonormé dans 47. Tel que : A*,,&ÛA+,,&=
\1,E=F 0,E MFTalque : +8,&+=
¥T²+U²+V².
Soit 8,&5= T5A5,,,&+U5A6,,,&+V5A7,,,& et 8,&6= T6A5,,,&+U6A6,,,&+V6A7,,,& donc :Figure 1.1. Addison de deux vecteurs
BChapitre1 : Rappels Mathématiques
Mécanique Rationnelle, L2(LMD) S. BAADJ
7Figure 1.2 Système des forces en équilibre
1.2. Produit scalaire
On appelle un produit scalaire de deux vecteurs 8,&5AP8,&6 une loi de composition qui associe aux deux vecteurs un scalaire. Tel que :8,&5.8,&6=.8,&5..8,&6.cos(8,&58,&6)
Le produit scalaire peut définie par l'expression analytique :8,&5.8,&6=T5T6+U5U6+V5V6
1.3. Produit vectorielle
Le produit vectorielle de deux vecteurs est un vecteur, tel que :9,,,&=8,&5è8,&6=.8,&5..8,&6.sin
k8,&58,&6 oJ,& J,&, est vecteur unitaire perpendiculaire au plant formé par 8,&5AP8,&6 On peut définie le produit vectorielle entre deux vecteurs par la forme matricielle suivantes:Soient :
8,&5= mT5U5V5
qAP8,&6= mT6U6V6
qDonc : 9,,,&=8,&5è8,&6=
m U5V6FU6V5V5T6
FV6T5T5V6
FT6V5 qChapitre1 : Rappels Mathématiques
Mécanique Rationnelle, L2(LMD) S. BAADJ
8 8,&6Figure 1.3 produit vectorielle de deux vecteurs
1.4. Produit Mixte
Le produit mixte est un scalaire est égale le volume du parallélépipède formé par les trois
vecteurs8,&5,8,,,,&6AP8,&7.Figure 1.4. Produit mixte de trois vecteurs
1.5. Projection des vecteurs
1.5.1.Projection orthogonale d'un vecteur sur un axe
Définition : Soit un vecteur quelconque 8,& , et un axe (Â) défini par son vecteur unitaire Q,& .
La projection orthogonale du vecteur 8,& sure l'axe (Â)définie par la composante 8ë,,,& de ce vecteur
sure cet axe.8,&ë=
k8,&.J,& oJ,& Figure 1.5 Projection orthogonale d'un vecteur sur un axe 8,&Q,& 8,&ë
8,&5 9,,,& J,&85,,,&
86,,,&
87,,,&
Chapitre1 : Rappels Mathématiques
Mécanique Rationnelle, L2(LMD) S. BAADJ
91.5.2. Projection orthogonale d'un vecteur sur un plan
Définition : Soit 8,& un vecteur quelconque, sa projection sur le plan (è)défini par la normale J,&est
la composante 8,&dans le plan. Figure 1.6 Projection orthogonale d'un vecteur sur un plan On peut écrire la projection de 8,& sur la plan par la relation suivant : 8,&=8,&F8,&á
D'où 8,&=8,&(J,&.J,&) et 8,&á=
k8,&.J,& oJ,&Donc : 8,&=8,&(J,&.J,&)
F k8,&.J,& oJ,& Et on retrouve l'expression vectorielle du vecteur 8,& par la relaion double vectoriel suivante :8,&=J,&è(8,&èJ,&)
2.Torseurs
2.1.Définition :
On appelle torseur [T] l'ensemble d'un champ de vecteurs /,,& en un point A et de son vecteur
4,,,&associé.
On note
[6]º= \4,&Tel que 4,&appelé résultante des vecteurs : 85,,,& ,8,&6, 8,&7 ,....8á,,,& appliqués respectivement aux points :
$5,$6, $7...$á. Donné par : 4,&=Í8*,,&
Ü@5
Et /,,& est le moment résultant en un point A de l'espace est donné par :Ü@5
8*,,&8á,,,&
J,& 8,,,&
8,&Chapitre1 : Rappels Mathématiques
Mécanique Rationnelle, L2(LMD) S. BAADJ
10 Ces deux vecteurs 4,& et /,,& sont appelés éléments de réduction du torseur au point A.Remarque : Connaissant le Torseur [6]º en un point A nous pouvons déterminer les éléments de
réduction de ce même torseur en un autre point A de l'espace à l'aide de l'équation de transport :
Nous avons en effet :
Í%$*,,,,,,&¬8*,,&
Ü@5
Sachant que : %$*,,,,,,&=%#,,,,,&+#$*,,,,,,& et /,,&º=Ã#$*,,,,,,&è8*,,&áÜ@5Í(%#,,,,,&+#$*,,,,,,&)è8*,,&
Ü@5
Í%#,,,,,&è8*,,&
Ü@5
Í#$*,,,,,,&è8*,,&
Ü@5
Í8*,,&
Ü@5
+/,,&º=%#,,,,,&è4,&+/,,&º Nous obtiendrons l'équation de transport qui permet de déterminer le moment en un point C en connaissant le moment au point A. /,,&¼=%#,,,,,&è4,&+/,,&º2.2.Propriétés des torseurs
2.2.1.L'équivalence de deux torseurs :
Deux torseurs sont équivalents [65]=[66] si et seulement si, [65]=[66]^J45,,,,&=45,,,,& /5,,,,,&=/6,,,,,&2.2.2.Torseur nul :
Un torseur est nul, si ses éléments de réduction sont nuls : [0]= \4,&=0,& /,,&=0,&2.2.3.Somme de deux torseurs :
Soient [65]=[66] deux torseurs, la somme de deux torseur est un torseur dont ses éléments de réduction sont la somme des éléments de réduction des deux torseurs. /,,&=/5,,,,,&+/6,,,,,&Chapitre1 : Rappels Mathématiques
Mécanique Rationnelle, L2(LMD) S. BAADJ
112.2.4.Multiplication d'un torseur par un scalaire :
Soient un torseur :
[6]º= \4,& Et ã un scalaire real. Nous pouvons écrire :ã[6]º=
\ã.4,&2.3.Axe central d'un torseur
Soit un torseur
[6]º= \4,&On appelle axe central de [6], l'ensemble des points P pour lesquels le moment /,,& est colinéaire à4,&.
donnée par l'équation paramétrique d'une droite parallèle à 4,&. #2,,,,,&=4,&è/,,&º4²+ã.4,&
ã est un scalaire real.
2.4.Pas du torseur
Si le moment /,,& est colinéaire à 4,&.
/,,&ã=».4,&, d'où /ã,,,,,&=/º,,,,,&+2#,,,,,&è4,&=».4,&. le produit scalaire de cette expression par le vecteur
résultant 4,& donne :Ce qui donne
»=4,&./º,,,,,&
Ù est appelé le Pas du torseur.
2.5.Torseur couple
Un torseur est dit un torseur couple, si et seulement si, sa résultante est nulle.J45,,,,&=0,&
M0,& Le moment en un point A quelconque de l'espace est donné par:Chapitre1 : Rappels Mathématiques
Mécanique Rationnelle, L2(LMD) S. BAADJ
12 /,,&º=#$5,,,,,,,&è85,,,&F#$6,,,,,,,&è85,,,&
/,,&º=(#$5,,,,,,,&F#$6,,,,,,,&)è85,,,&
/,,&º=$6$5,,,,,,,,,&è85,,,& Sachant que : $6$5,,,,,,,,,&=$6*,,,,,,,,&+*$5,,,,,,,,& k$6*,,,,,,,,&+*$5,,,,,,,,& oè85,,,&=*$5,,,,,,,,&è85,,,&H est appelé le Bras, c'est la projection orthogonale du point $5 sur la droit support du vecteur 86,,,&.
En réalité le moment d'un torseur couple ne dépend que de la distance qui sépare les deux droites
supports des deux vecteurs, il est indépendant du lieu où il est mesuré.Le moment d'un torseur couple ne dépend que de la distance qui sépare les deux droites supports
des deux vecteurs. B2 B1 H86,,,&
85,,,&
Chapitre1 : Rappels Mathématiques
Mécanique Rationnelle, L2(LMD) S. BAADJ
13Exercices
Exercice 1:
Soient les vecteurs '5,,,,&, '6,,,,&, '7,,,,& et '8,,,,& tel que: '5,,,,&=&+4',,&, '6,,,,&=2,,,&+Ÿ&+ ',,&, '7,,,,&=&F2&+4',,& et '8,,,,&=4,,,&+Ÿ&+2',,&.
1) Déterminer y et z pour que les vecteurs '5,,,,& et '6,,,,& soient colinéaires,
2) Déterminer y pour que les vecteurs '7,,,,& et '8,,,,& soient perpenduculaires,
3) trouver le volume d'un parallélépipède des cotés '5,,,,&, '6,,,,& et '8,,,,&. (pour y=1, et z=1)
Corrigé d'Exercice1:
'5,,,,&=&+4',,&, '6,,,,&=2,,,&+Ÿ&+ ',,&, '7,,,,&=&F2&+4',,& et '8,,,,&=4,,,&+Ÿ&+2',,&.
1) '5,,,,& et '6,,,,& sont colinaire'5,,,,&"'6,,,,&=0,&
m 1 0 4 q¬ m 2 U V q= m 0quotesdbs_dbs19.pdfusesText_25[PDF] exercices saut en longueur pdf
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