[PDF] MP MP* PT PT* et des systèmes Mécanique du solide

Cours de Mécanique du Solide - UCD

l'ensemble des torseurs est un - Elément opposé - Elément neutre - Associativité - Commutativité ° ° ¿ ° ° ¾ ½ ^ ` ^ ` R M ¿ ¾ ½ ¯ ® ­ ( , ) ( , ) ( ) ( ) 1 1 1] O ]] O ]] O] M A M A ChapII Les torseurs R R Remarque : Les deux opérations précédentes confèrent à l’ensemble des torseurs une structure d’espace vectoriel

Mécanique du solide - Unisciel – Luniversité des

Mécanique du solide, transparents de cours, MP, Lycée Montesquieu (Le Mans), Olivier Granier _____ 5 2 – Centre d’inertie d’un système, référentiel barycentrique : Dans le cas de solides ou de systèmes matériels, on est amené à définir une masse volumique, une masse surfacique ou encore une masse linéique

Mécanique des systèmes de solides indéformables

Mécanique des systèmes de solides indéformables M BOURICH 11 2 - Espace métrique Un espace métrique est un espace affine auquel on a associe un espace vectoriel euclidien Pour la suite du cours, on désignera par l’espace métrique associé à un espace vectoriel euclidien E de dimension 3

ÉLÉMENTS DE MÉCANIQUE DES SOLIDES INDÉFORMABLES

4 TABLE DES MATIÈRES 3 5 2 1 Liaison sphérique en un point O 21 3 5 2 2 Liaison prismatique d’axe ∆ = Ox 22 3 5 2 3 Liaison

Licence de Mécanique - UE 201

des deux vecteurs («dot product » notation due à Gibbs (autour de 1900)) xM = OM x yM = OM y zM = OM z (1 1) Remarque : le choix des vecteurs de base n’est pas limité au classique système dit cartésien On verra d’autres systèmes de coordonnées (cylindriques en particulier) Notes de cours Mécanique des solides L2 UPMC - 2006

MP MP* PT PT* et des systèmes Mécanique du solide

La mécanique a non seulement pour but de décrire les mouvements des objets mais aussi d en comprendre les ca uses (les forces) Les lois fondamen-tales de la mécanique newtonienne, associées à des modèles de forces, four-nissent les équations nécessaires à la compréhension et à la prévision des mouvements

PCSI MECANIQUE 1 CINEMATIQUE DU SOLIDE INDEFORMABLE

La cinématique est la partie de la mécanique qui permet de décrire et d’étudier les mouvements des solides indépendamment des causes qui les provoquent 1 Définition d’un solide indéformable 1 1 Relation de base On appelle solide indéformable S, tout ensemble de points matériels dont la distance est

6 CHAPITRE 6 - APPLICATION 1 - MECANIQUE DES SOLIDES ELASTIQUES

6 CHAPITRE 6 - APPLICATION 1 - MECANIQUE DES SOLIDES ELASTIQUES 6 1 Formulation d’un problème d’élasticité On considère un domaine Ω occupé par un matériau solide dont le comportement élas-tique linéaire Le domaine est soumis : – à une densité de forces volumiques connue f v sur l’ensemble du domaine,

PCSI MÉCANIQUE : B STATIQUE DES SOLIDES

Statique des solides Objet de la statique Définitions Objet de la statique La statique est une partie de la mécanique qui a pour objet l’étude de l’équilibre des systèmes matériels au repos, par rapport à un repère fixe ou en mouvement uniforme L’étude portera plus particulièrement sur la statique des solides

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PC PC*MP MP*PT PT*

| Classe | prépa

Mécanique du solide

et des systèmes||

Jean-Claude Hulot

Professeur en classes préparatoires

Marc Venturi

Professeur de chaire supérieure

en classes préparatoires au lycée Carnot à Dijon© Nathan,classe prépa

Cet ouvrage fait partie de la collection " Classe prépa », une collectiond'ouvrages simples et accessibles couvrant l'ensemble des programmes

des classes préparatoires aux Grandes Écoles scientifiques. Élaborée pour aider les élèves à surmonter leurs difficultés, cette collec- tion est basée sur une approche pragmatique des programmes. Ainsi, chaque chapitre est constitué de cinq rubriques : • Retenir l'essentiel qui reprend les notions indispensables du cours et indique des conseils pour éviter les erreurs les plus fréquentes ;  Avant la colle qui regroupe des QCM et des exercices d'application immédiate pour vérifier les connaissances ;  Savoir résoudre les exercices qui, sur la base d'exercices " classiques », permet aux élèves de développer les méthodes indispensables en prépa : analyse de l'énoncé, démarche à suivre, réflexes à acquérir... S'entraîner qui regroupe par ordre de difficultés croissantes une bat- terie d'exercices ; Corrigés où l'ensemble des exercices sont corrigés en détails et com- mentés.

Coordination éditoriale : Isabelle Ravilly

Relecture : Fanny Morquin

Composition : Softwin

Couverture : Marie-Astrid Bailly-Maître

Maquette intérieure : Thierry Méléard

© Nathan, 2009 - ISBN 978-2-09-160920-1

© Nathan,classe prépa

Avant-propos

La mécanique a non seulement pour but de décrire les mouvements des objets mais aussi d'en comprendre les causes (les forces). Les lois fondamen- tales de la mécanique newtonienne, associées à des modèles de forces, four- nissent les équations nécessaires à la compréhension et à la prévision des mouvements. Le domaine de validité des lois newtoniennes est vaste. Il s'étend des systè- mes ayant pour dimension celle de quelques molécules aux distances astro- nomiques entre les galaxies, à plusieurs centaines de millions d'années- lumière de la Terre, et englobe en particulier l'échelle des phénomènes de taille humaine. En dehors de ces domaines et pour quelques systèmes parti- culiers (superfluides, supraconducteurs...), la mécanique quantique ainsi que la mécanique relativiste restreinte et générale deviennent nécessaires. Le modèle du solide (au sens de système indéformable idéal) joue un rôle particulier mais extrêmement important. Les systèmes indéformables (ou quasi indéformables) sont fréquents autour de nous. La mécanique de ces objets acquiert ainsi un intérêt concret et directement utile. Même si les phénomènes en jeu nous semblent familiers (les forces de con- tact par exemple), leur compréhension et leur description mathématique restent difficiles. Loin d'être évident, le mouvement des objets ou la cause de ces mouvements restent parfois hors du " sens commun » et de l'intui- tion. Dans cet ouvrage destiné aux élèves de seconde année de CPGE, on rap- pelle dans le cours tous les théorèmes et relations au programme. Les exer- cices proposés sont issus pour la plupart d'écrits et d'oraux de concours d'entrée aux Grandes Écoles. Que ces exercices soient des vérifications et applications directes du cours ou qu'ils permettent de vérifier sa maîtrise et de s'entraîner, leur correction est toujours explicite et détaillée. Nous espérons que les étudiants trouveront ici les moyens de se familiariser avec les lois de la mécanique des systèmes. Nous voulons remercier très chaleureusement Philippe Fleury pour ses con- seils et ses remarques toujours judicieux et constructifs, les éditions Nathan, et tout particulièrement Isabelle Ravilly pour ses travaux d'éditions.

Jean-Claude Hulot

Marc Venturi

© Nathan,classe prépa

Sommaire

Avant-propos ......................................................................................................... 3

1Le centre de masse des systèmes matériels

1 - Définition et propriétés du centre de masse ............................................... 7

2 - Les symétries des systèmes matériels .......................................................... 11

savoir résoudre les exercices ........................................................................ 15

corrigés .......................................................................................................... 18

2Cinématique du solide

1 - Champ des vitesses d'un solide ................................................................. 23

2 - Cas particuliers de mouvements d'un solide ............................................. 24

3 - Contact entre deux solides ....................................................................... 26

4 - Rappel des lois de composition des vitesses

et des accélérations ........................................................................................

28

savoir résoudre les exercices ........................................................................ 33

s'entraîner ..................................................................................................... 36

corrigés .......................................................................................................... 37

3La résultante et le moment cinétiques

1 - La résultante cinétique ............................................................................. 41

2 - Le moment cinétique ............................................................................... 43

3 - Théorème de Koenig ................................................................................ 44

savoir résoudre les exercices ........................................................................ 49

s'entraîner ..................................................................................................... 52

corrigés .......................................................................................................... 54

4Moment cinétique d'un solide

1 - Moment d'inertie d'un système par rapport à un axe .............................. 61

2 - Moment cinétique d'un solide en un point d'un axe de rotation ............ 63

3 - Moment cinétique d'un solide

par rapport à un axe de rotation ...................................................................

65

savoir résoudre les exercices ........................................................................ 72

s'entraîner ..................................................................................................... 81

corrigés .......................................................................................................... 83

5Les actions sur un système

1 - La résultante des actions .......................................................................... 91

2 - Le moment des actions ............................................................................ 94

3 - Exemples d'actions sur des systèmes ......................................................... 96

savoir résoudre les exercices ...................................................................... 103

s'entraîner ................................................................................................... 108

corrigés ........................................................................................................ 113

6Énergie cinétique d'un système matériel

1 - Définition et expressions de l'énergie cinétique ..................................... 125

2 - Le second théorème de Koenig ............................................................. 127

savoir résoudre les exercices ...................................................................... 131

© Nathan,classe prépa

s'entraîner ................................................................................................... 138

corrigés ........................................................................................................ 141

7Les travaux des actions sur un système - Énergie potentielle

1 - Puissance et travail d'un système de forces ............................................. 147

2 - Puissance et travail des actions exercées sur un solide ............................ 149

savoir résoudre les exercices ...................................................................... 155

s'entraîner ................................................................................................... 159

corrigés ........................................................................................................ 162

8Théorème de la résultante cinétique

1 - Le théorème de la résultante cinétique ................................................. 171

2 - La loi de conservation de la résultante cinétique ................................... 172

savoir résoudre les exercices ...................................................................... 176

s'entraîner ................................................................................................... 185

corrigés ........................................................................................................ 188

9Théorème du moment cinétique

1 - Théorème du moment cinétique appliqué à un point matériel (rappel) .... 195

2 - Théorème du moment cinétique des systèmes matériels ........................ 196

3 - Théorème du moment cinétique scalaire ............................................... 197

4 - Conservation du moment cinétique ...................................................... 198

savoir résoudre les exercices ...................................................................... 202

s'entraîner ................................................................................................... 211

corrigés ........................................................................................................ 213

10Théorème de l'énergie cinétique

1 - Système fermé de points matériels .......................................................... 221

2 - Théorème de l'énergie cinétique appliqué à un solide .......................... 222

3 - Système de solides .................................................................................. 224

4 - Énergie potentielle et énergie mécanique ............................................. 225

savoir résoudre les exercices ...................................................................... 231

s'entraîner ................................................................................................... 237

corrigés ........................................................................................................ 239

11Actions de contact

1 - Description des actions de contact ......................................................... 249

2 - Les lois de Coulomb du frottement ....................................................... 251

3 - Puissance des actions de contact ............................................................ 254

savoir résoudre les exercices ...................................................................... 257

s'entraîner ................................................................................................... 262

corrigés ........................................................................................................ 269

Index ....................................................................................................................... 287

© Nathan,classe prépa

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1 - Le centre de masse des systèmes matériels

retenir l'essentiel 7

Le centre de masse

des systèmes matériels Une notion très importante en physique est celle de centre de masse. Ainsi dans un réfé- rentiel galiléen, le centre de masse d'un système isolé a un mouvement rectiligne et uni- forme, alors que ce n'est généralement pas le cas d'un point quelconque du système. Plus généralement, on montrera dans les chapitres suivants que les lois du mouvement du cen- tre de masse sont relativement simples à écrire.

1Définition et propriétés du centre de masse

1.1.La masse

La masse est une grandeur physique qui, en physique newtonienne, a les propriétés suivantes : - elle est strictement positive ; - elle est additive : on peut sommer les masses de sous-systèmes disjoints (on dit que la masse est une grandeur extensive) ; - elle est conservée au cours du temps, quand le système est fermé ; - elle garde la même valeur dans tous les référentiels (on dit que c'est une grandeur inva- riante). En outre, c'est l'une des grandeurs fondamentales du Système International d'unités (SI). L'unité SI de masse est le kilogramme (kg). L'étalon international du kilogramme est con- servé au Bureau international des poids et mesures, à Sèvres. 1.2.

Le modèle du point matériel

Le point matériel est le système physique le plus simple, c'est-à-dire celui dont l'état com-

plet est décrit avec le plus petit nombre de paramètres. Ce nombre se réduit à trois variables

réelles, les trois coordonnées de position dans l'espace ( dans une base cartésienne ou dans une base cylindrique par exemple). Il ne faut pas confondre un point matériel avec un système ponctuel. Ce dernier peut pos-

séder d'autres paramètres d'état qui en font un système plus complexe qu'un point matériel.

xyz,,() rθz,,()

Remarque

Par exemple, un dipô-

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