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Sciences de l'Ingénieur · Prépa concours post-bac — ENSA & ENSAM

Dynamique et principe fondamental de la dynamique (PFD)

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

Le PFD permet de relier les actions mécaniques (forces et moments) au mouvement (accélération).

  1. Torseur dynamique : $\mathcal{D}{S/R} = \begin{Bmatrix} \vec{\delta}{A \in S/R} \ \vec{\sigma}_{A \in S/R} \end{Bmatrix}_A$
  2. PFD : Pour un solide $S$ dans un référentiel galiléen $R_g$, le torseur des actions mécaniques extérieures est égal au torseur dynamique : $${ \mathcal{T}_{ext \to S} }A = { \mathcal{D}{S/R_g} }_A$$ Ce qui donne deux équations vectorielles :
  • $\sum \vec{F}_{ext} = m \cdot \vec{\gamma}(G \in S/R_g)$
  • $\sum \vec{M}A(\vec{F}{ext}) = \frac{d}{dt} (\vec{\sigma}_A(S/R_g))$

Méthodes à maîtriser

  • Isoler le solide (système).
  • Faire le bilan des actions mécaniques extérieures.
  • Choisir un point de réduction judicieux (souvent le centre de rotation).
  • Projeter les équations vectorielles sur les axes du repère choisi.

Exemples corrigés

Exemple : Translation rectiligne. Un bloc de masse $m$ sur un plan incliné $\alpha$. $\sum \vec{F} = m \vec{\gamma} \implies m\vec{g} + \vec{R} = m\vec{\gamma}$. Projection sur l'axe du mouvement : $mg \sin(\alpha) = m \gamma \implies \gamma = g \sin(\alpha)$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le poids dans le bilan des forces.
  • Confondre le torseur statique et dynamique.
  • Ne pas vérifier si le référentiel est galiléen (souvent supposé terrestre).
  • Erreur de signe lors de la projection des vecteurs.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Dynamique et principe fondamental de la dynamique (PFD)

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Dans le PFD, que représente $m \cdot \vec{\gamma}$ ?

❓ Questions fréquentes

Est-ce que le PFD est toujours valable ?

Non, le PFD n'est strictement valable que dans un référentiel galiléen (ou inertiel). Pour les problèmes d'ingénierie au sol, on considère le référentiel terrestre comme galiléen, ce qui est une approximation suffisante.

💡 À retenir : Vérifie toujours le référentiel avant d'écrire le PFD.

Kifach n7seb l'accélération ila kan l'jism kay dor ?
  1. Identifie l'axe de rotation.
  2. Utilise le théorème du moment dynamique projeté sur cet axe : $\sum M_{\Delta} = J_{\Delta} \cdot \ddot{\theta}$.
  3. $J_{\Delta}$ est le moment d'inertie par rapport à l'axe.

💡 À retenir : Le moment dynamique est lié à la dérivée de la vitesse angulaire.

C'est quoi la différence entre la statique et la dynamique ?

En statique, le torseur dynamique est nul ($\vec{\gamma} = 0$ et $\vec{\sigma} = \vec{cte}$), donc la somme des forces et des moments est nulle. En dynamique, ces sommes sont égales au torseur dynamique.

💡 À retenir : La statique est un cas particulier de la dynamique où l'accélération est nulle.

Chno hiya l'relation bin l'masse o l'inertie ?

La masse représente l'inertie en translation (résistance au changement de vitesse). Le moment d'inertie représente l'inertie en rotation (résistance au changement de vitesse angulaire).

💡 À retenir : Plus la masse est loin de l'axe, plus l'inertie est grande.

Est-ce que le point de réduction doit être le centre de gravité ?

Non, tu peux réduire en n'importe quel point $A$, mais le torseur dynamique dépend du point choisi. Si tu choisis le centre de gravité $G$, les calculs sont souvent plus simples car $\vec{\sigma}_G = m \vec{V}_G$ n'est pas vrai, mais le moment dynamique est plus direct.

💡 À retenir : Choisis le point qui annule le plus de moments.

Kifach n3ref wach l'jism fih 7araka moustaqima wla doraniya ?

Regarde les liaisons mécaniques. Une liaison pivot impose une rotation, une liaison glissière impose une translation. Si le solide est libre, il peut avoir un mouvement plan quelconque.

💡 À retenir : La liaison définit les degrés de liberté.

Est-ce que le poids est toujours m cdot g ?

Oui, dans le référentiel terrestre, le poids est $\vec{P} = m \vec{g}$. Attention, c'est une force appliquée au centre de gravité $G$.

💡 À retenir : Le poids est toujours vertical vers le bas.

Pourquoi on utilise le torseur dynamique ?

Il permet de traiter les problèmes de dynamique de manière rigoureuse et vectorielle, en incluant à la fois les effets de translation et de rotation dans un seul outil mathématique.

💡 À retenir : Le torseur est l'outil complet pour la mécanique du solide.

Est-ce que le PFD change si le solide est en mouvement accéléré ?

Le PFD est justement fait pour ça ! Il dit que la cause du mouvement (forces) est égale à l'effet (accélération). Si le solide accélère, la somme des forces n'est pas nulle.

💡 À retenir : $\sum \vec{F} = m \vec{\gamma}$ est la base de tout calcul d'accélération.

Comment calculer le moment d'inertie ?

Pour des formes simples, il existe des formules (ex: cylindre plein $J = \frac{1}{2} m R^2$). Pour des formes complexes, on utilise le théorème de Huygens si nécessaire.

💡 À retenir : $J$ dépend de la répartition de la masse.

Est-ce que les forces de frottement sont toujours opposées au mouvement ?

Oui, les forces de frottement solide (Coulomb) s'opposent toujours au glissement relatif entre deux surfaces.

💡 À retenir : Frottement = résistance au mouvement.

Est-ce que je dois toujours projeter sur les axes x, y, z ?

Tu dois projeter sur les axes qui facilitent le calcul. Si le mouvement est circulaire, projette sur la base de Frenet (tangentielle et normale).

💡 À retenir : Le choix du repère est 50% de la résolution.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un treuil soulève une charge de masse $m=50$ kg avec une accélération constante $\gamma = 2$ m/s². Calculer la tension $T$ du câble. (Prendre $g = 9.8$ m/s²).

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Exercice 2

Un disque de masse $M$ et rayon $R$ tourne autour de son axe fixe avec une accélération angulaire $\alpha$. Calculer le couple moteur $C$ nécessaire, sachant qu'il y a un couple résistant de frottement $C_f$.

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Exercice 3

Une barre homogène de longueur $L$ et masse $m$ est articulée en $O$. Elle est lâchée sans vitesse initiale à l'horizontale. Calculer l'accélération angulaire initiale.

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