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Sciences de l'ingénieur · BTS & DUT (EST) — DUT (EST)

Modélisation des systèmes mécaniques (Cinématique)

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

La cinématique étudie le mouvement des solides sans tenir compte des forces.

  • Vecteur vitesse : $\vec{V}{A \in S_1/S_0} = \frac{d\vec{OA}}{dt} |{R_0}$
  • Vecteur accélération : $\vec{\Gamma}{A \in S_1/S_0} = \frac{d\vec{V}{A \in S_1/S_0}}{dt} |_{R_0}$
  • Torseur cinématique : ${V_{S_1/S_0}} = \begin{Bmatrix} \vec{\Omega}{S_1/S_0} \ \vec{V}{A \in S_1/S_0} \end{Bmatrix}_A$
  • Relation de transport : $\vec{V}{B \in S_1/S_0} = \vec{V}{A \in S_1/S_0} + \vec{\Omega}_{S_1/S_0} \wedge \vec{AB}$

Méthodes à maîtriser

  1. Dérivation vectorielle : Toujours préciser le repère de dérivation.
  2. Composition des mouvements : Utiliser la relation $\vec{V}{A \in 2/0} = \vec{V}{A \in 2/1} + \vec{V}_{A \in 1/0}$.
  3. Calcul du torseur : Identifier le centre de rotation pour simplifier le calcul.

Exemples corrigés

Exemple : Soit un solide en rotation autour de $(O, \vec{z})$ avec $\omega = 2 , rad/s$. $\vec{V}_{A \in S/R} = \vec{\Omega} \wedge \vec{OA} = \omega \vec{z} \wedge (x\vec{x} + y\vec{y}) = -\omega y \vec{x} + \omega x \vec{y}$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de préciser le repère de dérivation.
  • Confondre le vecteur vitesse avec la dérivée scalaire (norme).
  • Mauvaise application du produit vectoriel $\vec{i} \wedge \vec{j} = \vec{k}$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Modélisation des systèmes mécaniques (Cinématique)

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Le torseur cinématique est défini par :

❓ Questions fréquentes

Est-ce que le torseur cinématique change si on change de point de réduction ?

Oui, le vecteur vitesse change selon la relation de transport, mais le vecteur rotation $\vec{\Omega}$ reste invariant.

💡 À retenir : $\vec{\Omega}$ est un invariant du torseur.

Wach momkin nkhdem b'l'coordonnées polaires ?

Oui, c'est même recommandé pour les mouvements circulaires. $\vec{V} = \dot{r}\vec{u}r + r\dot{\theta}\vec{u}\theta$.

💡 À retenir : Les coordonnées polaires simplifient énormément les calculs de rotation.

Quelle est la différence entre vitesse relative et vitesse d'entraînement ?
  1. Relative : vitesse dans le repère mobile.
  2. Entraînement : vitesse du repère mobile par rapport au fixe.

💡 À retenir : La vitesse absolue est la somme des deux.

C'est quoi la différence entre la vitesse linéaire et la vitesse angulaire ?
  1. La vitesse linéaire ($\vec{V}$) mesure le déplacement d'un point dans l'espace (m/s).
  2. La vitesse angulaire ($\vec{\Omega}$) mesure la rotation du solide autour d'un axe (rad/s).

💡 À retenir : La vitesse linéaire dépend de la position du point, alors que la vitesse angulaire est la même pour tous les points du solide.

Kifach n7seb l'accélération ila 3ndi ssor3a?
  1. Tu prends le vecteur vitesse $\vec{V}$ que tu as déjà calculé.
  2. Tu le dérives par rapport au temps dans le repère de référence.
  3. $\vec{\Gamma} = \frac{d\vec{V}}{dt} |_{R}$.

💡 À retenir : N'oublie pas de dériver les vecteurs de base si le repère est mobile.

Chno hiya l'fayda dyal torseur cinématique ?
  1. Il permet de regrouper en un seul outil mathématique la rotation et la translation.
  2. Il facilite le calcul des vitesses en tout point du solide grâce à la relation de transport.

💡 À retenir : Le torseur est l'outil indispensable pour modéliser le mouvement complexe.

Wach l'accélération katkon dima f nafs l'ittijah d'ssor3a ?

Non, l'accélération a deux composantes : tangentielle (change la norme) et normale (change la direction).

💡 À retenir : L'accélération est dirigée vers le centre de courbure dans un mouvement circulaire uniforme.

Comment dériver un vecteur dans un repère tournant ?
  1. Utilise la formule de dérivation composée : $(\frac{d\vec{u}}{dt}){R_0} = (\frac{d\vec{u}}{dt}){R_1} + \vec{\Omega}_{R_1/R_0} \wedge \vec{u}$.

💡 À retenir : Le terme $\vec{\Omega} \wedge \vec{u}$ est crucial pour les repères mobiles.

Chno hiya l'relation li katjma3 ssor3at f 3 d'ajsam ?

C'est la loi de composition des vitesses : $\vec{V}{A \in 2/0} = \vec{V}{A \in 2/1} + \vec{V}_{A \in 1/0}$.

💡 À retenir : C'est la relation de Chasles appliquée aux vitesses.

Est-ce que le centre instantané de rotation a toujours une vitesse nulle ?

Oui, par définition, la vitesse du CIR est nulle à l'instant $t$ considéré.

💡 À retenir : Le CIR est très utile pour simplifier les calculs de vitesse.

Pourquoi on utilise le produit vectoriel en cinématique ?

Parce que le mouvement de rotation crée des vitesses perpendiculaires au rayon. Le produit vectoriel $\vec{\Omega} \wedge \vec{r}$ donne exactement cette direction et cette norme.

💡 À retenir : Maîtrise bien les règles du produit vectoriel (règle de la main droite).

Comment savoir si un solide est en translation ou rotation ?
  1. Translation : $\vec{\Omega} = \vec{0}$ (tous les points ont la même vitesse).
  2. Rotation : $\vec{\Omega} \neq \vec{0}$ (les points décrivent des cercles).

💡 À retenir : Un solide peut avoir un mouvement plan (mélange des deux).

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un bras robotisé tourne autour d'un axe fixe avec une vitesse angulaire constante $\omega = 5 , rad/s$. Le point $M$ est situé à une distance $L = 0.4 , m$ de l'axe. Calculer la vitesse du point $M$.

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Exercice 2

Soit un solide en mouvement plan. On donne $\vec{V}_A = 2\vec{i} + 3\vec{j}$ et $\vec{\Omega} = 2\vec{k}$. Calculer $\vec{V}_B$ sachant que $\vec{AB} = 0.5\vec{i} + 0.5\vec{j}$.

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Exercice 3

Un disque de rayon $R=0.2m$ roule sans glissement sur un plan. $\omega = 10 , rad/s$. Calculer la vitesse du centre $C$ et du point de contact $I$.

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