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COURS DE MECANIQUE GENERALE

ISAT - Institut Supérieur de l'Automobile et des Transports

Université de Bourgogne - Nevers

Année Universitaire 2002-2003

Paolo Vannucci

- i -

COURS DE MECANIQUE GENERALE

Polycopies des cours de Mécanique Générale 1 et 2 dispensés à l'ISAT (Institut Supérieur de l'Automobile et des Transports),

Université de Bourgogne, par P. Vannucci

Année universitaire 2002 - 2003

- ii - P

REFACE

Ces polycopiées sont destinées à être un support pédagogique pour les élèves de la première et de la

deuxième année de l'ISAT, où je dispense le cours de Mécanique Générale depuis maintenant trois

ans. Les sujets abordés dans ce cours sont ceux établis par le Conseil Pédagogique de l'ISAT, et

approuvés par la Commission des Titres d'Ingénieur ; il s'agit de sujets typiques d'un enseignement

de mécanique dans une école d'ingénieurs. Conformément à ces indications, le cours est articulé en

trois grandes parties : cinématique, dynamique newtonienne et dynamique lagrangienne.

La cinématique se compose des chapitres 3 à 5, consacrés respectivement à la cinématique du point,

à la cinématique relative et à celle du corps rigide. Différents thèmes sont développés dans cette

partie, comme par exemple la décomposition de vitesse et accélération dans le trièdre de Frenet,

ainsi que dans les repères sphériques et cylindriques, les lois fondamentales de la cinématique, les

transformations galiléennes de repère, les angles d'Euler, la théorie des grandes et petites rotations,

les théorèmes d'Euler et de Chasles.

La dynamique newtonienne est articulée sur six chapitres ; le numéro 6 est consacré à l'introduction

des principes de Newton et des théorèmes fondamentaux de la dynamique du point, ainsi que des principaux types de forces conservatives. Successivement, on aborde dans le chapitre 7 l'étude

classique du mouvement d'un point matériel dans un champ de force centrale, avec application à la

mécanique céleste. Le chapitre 8 est consacré à l'étude d'un type particulièrement important de

forces non conservatives, les forces dissipatives. Ensuite, dans les chapitres 9 et 11 on généralise,

respectivement aux systèmes discrets et aux corps rigides, les résultats déjà acquis pour le point

matériel. Pour la dynamique du corps rigide, les mouvements à la Poinsot sont brièvement

introduits. Le chapitre 10 est consacré à l'étude des propriétés d'inertie des systèmes matériels, outil

indispensable pour aborder la dynamique du corps rigide. Finalement, le chapitre 12 est consacré à

la dynamique impulsive, où les lois propres à l'étude des chocs sont introduites, aussi bien pour un

point matériel que pour un corps rigide, libre ou soumis à des liens.

Les chapitres 13 à 17 sont consacrés à une introduction à la mécanique lagrangienne. Plus en détail,

le chapitre 13 est consacré au Principe des Travaux Virtuels, et le 14 aux équations de Lagrange.

Successivement, ces résultats sont appliqués à l'étude de deux problèmes fondamentaux, et liés, en

mécanique : la stabilité et bifurcation des configurations d'équilibre, dans le chapitre 15, et l'analyse

des petites oscillations, dans le chapitre 16, où la théorie de l'analyse modale est montrée dans ses

lignes essentielles. Le chapitre 17 termine cette partie et le cours avec l'étude d'un cas classique,

celui de l'oscillateur simple.

Parmi les différentes approches possibles à l'étude de la mécanique générale, j'ai choisi celle qui

me semble la plus honnête, lorsqu'on s'adresse à des élèves de niveau universitaire : une approche

moderne qui fait appel à une certaine rigueur mathématique, qui seule permet d'analyser et de

donner compte des lois de la nature. Galilée même, à l'aube difficile de la mécanique, avait déjà

compris que la nature est un livre écrit avec des caractères mathématiques . J'ai quand même essayé

de rendre cette approche la plus sobre et élégante possible, comme mes maîtres m'ont appris, et

"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.

- iii -

d'utiliser une notation qui rende le plus possible lisibles les formules et les passages analytiques,

sans les aggraver d'indications non indispensables et lourdes. C'est pour cela que j'ai choisi sans hésitation la convention typographique moderne pour les textes des mathématiques. Dans une époque où le progrès scientifique est rapide comme jamais auparavant, même la

mécanique classique, science parmi les plus anciennes, se doit de se renouveler, évidemment non

pas dans les contenus et les résultats, mais sans doute dans les méthodes. Je n'ai donc pas eu de

doutes à utiliser l'algèbre tensorielle, outil mathématique moderne de si grande clarté et utilité dans

les applications en mécanique, qu'un effort initial, nécessaire à sa maîtrise, est à mes yeux

largement justifié et rémunéré dans la suite. C'est pour ça que le premier chapitre est consacré à une

rapide introduction à l'algèbre tensorielle, qui n'est pas exhaustive, sans doute, mais qui a pour seul

but celui d'introduire le formalisme tensoriel et les résultats dont on fera usage dans les chapitres

suivants. Dans le même chapitre sont rappelés aussi des éléments d'analyse vectorielle et de

géométrie différentielle qui seront eux aussi utilisés dans la suite du cours. Le chapitre 2 est

consacré à un sujet particulier, à mi-chemin entre les mathématiques et la mécanique, celui des

vecteurs appliqués.

Certaines connaissances des mathématiques sont bien sûr indispensables pour aborder l'étude de la

mécanique, et ce cours n'échappe pas à cette règle : si, comme indiqué auparavant, certains sujets

sont directement introduits dans le premier chapitre de ce cours, d'autres sont considérés appartenir

au bagage de connaissances du lecteur, qui doit suffisamment maîtriser le calcul différentiel et

intégral pour les fonctions d'une variable, l'algèbre linéaire, la géométrie analytique des courbes

coniques et la solution d'équations différentielles ordinaires à coefficients constants.

Pour terminer, je m'excuse à l'avance avec le lecteur si le style n'est pas excellent, et si la syntaxe

n'est pas digne d'un texte écrit. J'ai essayé, sans être sûr d'avoir réussi, de faire de mon mieux et de

ne pas trop maltraiter cette magnifique langue qui est le français, et qui n'est pas la mienne.

Nevers, 26 septembre 2002

Paolo Vannucci

- iv -

SYMBOLES UTILISES

: pour chaque : existe au moins un ! : existe un seul : appartient / ou ':' : tel que , , k, , u etc. : scalaires u, v, w etc. : vecteurs

A, B, L etc. : tenseurs du deuxième ordre

E : espace euclidien

V : espace vectoriel des translations

Lin : espace vectoriel des tenseurs du deuxième ordre

· : produit scalaire

: produit vectoriel : produit dyadique |k| : valeur absolue d'un scalaire |v| : norme d'un vecteur |L| : norme d'un tenseur : , ,Lvp dérivation par rapport au temps : gradient I o : tenseur d'inertie relatif au point o

C : barycentre

U : potentiel

V : énergie potentielle

T : énergie cinétique

E : énergie mécanique totale

L : travail

W : puissance

p : déplacement virtuel

L : travail virtuel

W : puissance virtuelle

Q : quantité de mouvement

K o : moment de la quantité de mouvement par rapport au point o

L : lagrangienne

Ȧ : vitesse angulaire

: fréquence : fréquence circulaire, coefficient de frottement période : vecteur impulsion : résultante des forces impulsives : moment résultant des forces impulsives : masse réduite, masse d'impact - v - T

ABLE DES MATIERES

Chapitre 1

E

LEMENTS DE CALCUL VECTORIEL ET TENSORIEL

1.1 Espace euclidien 1

1.2 Points et vecteurs 1

1.3 Produit scalaire, distance, orthogonalité 3

1.4 Base de V 4

1.5 Expression du produit scalaire 4

1.6 Tenseurs du deuxième ordre 5

1.7 Produit dyadique 5

1.8 Composantes cartésiennes d'un tenseur du deuxième ordre 5

1.9 Produit tensoriel 6

1.10 Transposé d'un tenseur 6

1.11 Tenseurs symétriques et antisymétriques 7

1.12 Trace d'un tenseur 7

1.13 Produit scalaire de tenseurs 8

1.14 Déterminant d'un tenseur 8

1.15 Valeurs et vecteurs propres d'un tenseur 9

1.16 Produit vectoriel 11

1.17 Orientation d'une base 12

1.18 Tenseur inverse 13

1.19 Changement de base 14

1.20 Repères 17

1.21 Courbes de points, vecteurs et tenseurs 19

1.22 Dérivée d'une courbe 20

1.23 Intégration d'une courbe, abscisse curviligne 21

1.24 Le trièdre de Frenet 23

1.25 Courbure d'une courbe 25

1.26 Formules de Frenet et Serret 26

1.27 Propriétés de la torsion 27

1.28 Sphère osculatrice et cercle osculateur 28

1.29 Champs 29

1.30 Gradient d'un champ scalaire 29

Chapitre 2

V

ECTEURS APPLIQUES

2.1 Vecteurs appliqués, résultante, moment résultant, torseurs 31

2.2 Axe central 33

2.3 Systèmes équivalents 35

2.4 Systèmes équilibrés 35

- vi -

Chapitre 3

C

INEMATIQUE DU POINT

3.1 Trajectoire, vitesse et accélération 36

3.2 Vitesse scalaire et abscisse curviligne 37

3.3 Courbure, vitesse et accélération 37

3.4 Mouvement en coordonnées sphériques 38

3.5 Mouvement plan en coordonnées polaires 39

3.6 Mouvement en coordonnées cylindriques 40

Chapitre 4

C

INEMATIQUE RELATIVE

4.1 Repères fixes et mobiles 43

4.2 Première loi de la cinématique 44

4.3 Formule de Poisson 45

4.4 Deuxième loi de la cinématique 45

4.5 Transformations galiléennes 46

4.6 Mouvements rigides 47

Chapitre 5

C

INEMATIQUE DES CORPS RIGIDES

5.1 Transformations et degrés de liberté d'un corps rigide 48

5.2 Les angles d'Euler 49

5.3 Théorèmes fondamentaux sur le mouvement d'un corps rigide 52

5.4 L'axe de rotation globale 53

5.5 Amplitude d'une rotation 54

5.6 Vitesse et accélération dans un mouvement rigide 54

5.7 Rotations infinitésimales 55

5.8 L'axe d'instantanée rotation 58

5.9 Mouvements plans d'un corps rigide 59

5.10 Le centre d'instantanée rotation 60

5.11 Base et roulante 60

5.12 Mécanismes 61

Chapitre 6

L

ES PRINCIPES DE LA DYNAMIQUE

6.1 Introduction 62

6.2 Les principes de Newton 62

6.3 Classifications des forces, énergie potentielle, travail mécanique 64

6.4 Principe de d'Alembert et forces d'inertie 67

6.5 Théorème de l'énergie cinétique 68

6.6 Intégrale première de l'énergie 69

6.7 Quantité de mouvement 70

6.8 Moment de la quantité de mouvement 71

6.9 Masse inertielle et masse gravitationnelle 72

- vii -

Chapitre 7

D YNAMIQUE DU POINT MATERIEL DANS UN CHAMP DE FORCE CENTRALE

7.1 Introduction 73

7.2 Intégrales premières 73

7.3 Orbites dégénérées 76

7.4 Orbites générales 79

7.5 Orbites circulaires 81

7.6 Forces répulsives 84

7.7 Le problème de Kepler 85

7.8 Les orbites dégénérées du problème de Kepler 85

7.9 Les orbites générales du problème de Kepler 87

7.10 La forme des orbites générales du problème de Kepler 89

7.11 Cinématique des planètes 91

7.12 La troisième loi de Kepler 93

7.13 La loi du temps 95

7.14 Le problème des deux corps 96

7.15 La loi de gravitation universelle 97

Chapitre 8

F

ORCES DISSIPATIVES

8.1 Introduction 99

8.2 Frottement 99

8.3 La résistance au roulement 103

8.4 L'amortissement 106

Chapitre 9

D

YNAMIQUE DES SYSTEMES DISCRETS

9.1 Introduction 107

9.2 Forces internes 107

9.3 Les équations générales du mouvement pour un système discret 108

9.4 Quantité de mouvement 108

9.5 Moment de la quantité de mouvement 109

9.6 Equations fondamentales de la dynamique des systèmes 110

9.7 Théorème de l'énergie cinétique 111

9.8 Intégrale première de l'énergie 112

Chapitre 10

P

ROPRIETES D'INERTIE DES SYSTEMES

10.1 Introduction 114

10.2 Barycentre 114

10.3 Propriétés du barycentre 115

10.4 Moment d'inertie 116

10.5 Tenseur d'inertie 116

- viii -

10.6 L'ellipsoïde d'inertie 118

10.7 Le théorème de Huygens-Steiner 120

Chapitre 11

D

YNAMIQUE DES CORPS RIGIDES

11.1 Introduction 123

11.2 Quantité de mouvement 123

11.3 Moment de la quantité de mouvement 124

11.4 Puissance 124

11.5 Energie cinétique 124

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