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Sciences de l'ingénieur · Écoles d'ingénieurs — ENSA — cycle préparatoire

Cinétique et dynamique des solides

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 torseur cinétique au point $A$ d'un solide $S$ par rapport à un repère $R$ est : $${ \mathcal{C}_S/R } = \begin{Bmatrix} \vec{P}_S/R \ \vec{\sigma}_A(S/R) \end{Bmatrix}_A$$ Où $\vec{P}_S/R = m \cdot \vec{V}_G$ (résultante cinétique) et $\vec{\sigma}_A(S/R)$ est le moment cinétique. Le torseur dynamique est : $${ \mathcal{D}_S/R } = \begin{Bmatrix} \vec{D}_S/R \ \vec{\delta}_A(S/R) \end{Bmatrix}_A$$ Où $\vec{D}S/R = m \cdot \vec{\Gamma}G$ (résultante dynamique). Le PFD (Principe Fondamental de la Dynamique) s'énonce : ${ \mathcal{D}{S/R} } = { \mathcal{T}{ext \to S} }$.

Méthodes à maîtriser

  1. Calculer le centre d'inertie $G$ d'un solide composé.
  2. Appliquer le théorème de Huygens pour le moment d'inertie : $I_\Delta = I_G + m \cdot d^2$.
  3. Isoler un solide et faire le bilan des actions mécaniques (BAM).
  4. Projeter les équations vectorielles sur les axes du repère choisi.

Exemples corrigés

Soit un solide de masse $m$ en rotation autour d'un axe fixe $\Delta$. Le moment dynamique est $\vec{\delta}\Delta = J\Delta \cdot \ddot{\theta} \cdot \vec{z}$. Si le couple moteur est $C_m$ et le couple résistant $C_r$, alors $J_\Delta \cdot \ddot{\theta} = C_m - C_r$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier de préciser le référentiel (doit être galiléen).
  • Confondre le moment cinétique $\vec{\sigma}$ et le moment dynamique $\vec{\delta}$.
  • Erreur de signe lors de la projection des vecteurs sur les axes.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Cinétique et dynamique des solides

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La résultante dynamique d'un solide est égale à :

❓ Questions fréquentes

C'est quoi la différence entre cinétique et dynamique ?
  1. La cinétique étudie le mouvement sans se soucier des causes (forces).
  2. La dynamique étudie les causes (forces et moments) qui produisent le mouvement.

💡 À retenir : Cinétique = Description, Dynamique = Explication par les forces.

Kifach n7seb l'moment d'inertie dyal chi jism?
  1. Identifie la forme géométrique (cylindre, disque, tige).
  2. Utilise la formule standard (ex: $I = \frac{1}{2}mr^2$ pour un disque).
  3. Si l'axe de rotation ne passe pas par $G$, utilise le théorème de Huygens : $I_\Delta = I_G + md^2$.

💡 À retenir : $I$ dépend toujours de l'axe de rotation choisi.

Est-ce que le PFD est toujours vrai ?

Non, il n'est strictement vrai que dans un référentiel galiléen (ex: le référentiel terrestre pour des durées courtes).

💡 À retenir : Vérifie toujours que le repère est considéré comme galiléen dans l'énoncé.

Chno hiya l'farq bin vec{P} (résultante cinétique) et vec{D} (résultante dynamique) ?
  1. $\vec{P} = m \cdot \vec{V}_G$ (quantité de mouvement).
  2. $\vec{D} = m \cdot \vec{\Gamma}_G$ (accélération).

💡 À retenir : $\vec{D}$ est la dérivée temporelle de $\vec{P}$ par rapport au temps.

Kifach n3ref wach nakhod l'point A f'torseur dynamique?
  1. Choisis un point qui annule le maximum de moments de forces (souvent le centre d'une liaison pivot).
  2. Le choix du point ne change pas le résultat final du PFD, mais simplifie les calculs.

💡 À retenir : Choisis le point le plus stratégique pour simplifier tes équations.

Comment projeter un torseur sur un repère ?
  1. Identifie les composantes du vecteur force/moment.
  2. Utilise les angles (cos/sin) par rapport aux axes du repère.
  3. Écris le système d'équations scalaires résultant.

💡 À retenir : Une erreur de signe ici fausse tout l'exercice.

C'est quoi un solide indéformable ?

C'est un modèle théorique où la distance entre deux points quelconques du solide reste constante au cours du temps.

💡 À retenir : C'est l'hypothèse de base pour toute la mécanique du solide.

Est-ce que la masse change pendant le mouvement ?

Dans le programme de SI, on considère toujours la masse $m$ comme une constante (système à masse constante).

💡 À retenir : $m$ sort toujours de la dérivée temporelle.

Pourquoi on utilise le torseur ?

Le torseur permet de regrouper en un seul objet mathématique la résultante (force) et le moment, facilitant le calcul vectoriel.

💡 À retenir : C'est l'outil standard pour modéliser les actions mécaniques.

Comment calculer l'accélération G ?
  1. Dérive le vecteur vitesse $\vec{V}_G$ par rapport au temps.
  2. Ou utilise la relation $\vec{\Gamma}_G = \vec{\Gamma}_A + \vec{\Omega} \wedge (\vec{\Omega} \wedge \vec{AG}) + \dot{\vec{\Omega}} \wedge \vec{AG}$.

💡 À retenir : La dérivation directe est souvent plus simple.

C'est quoi le rôle du théorème de Huygens ?

Il permet de calculer le moment d'inertie par rapport à un axe quelconque à partir de celui passant par le centre de gravité.

💡 À retenir : $d$ est la distance perpendiculaire entre les deux axes.

Est-ce que le PFD s'applique aux systèmes asservis ?

Oui, le PFD permet de modéliser la fonction de transfert mécanique d'un système asservi (ex: moteur CC).

💡 À retenir : La dynamique est la base de la modélisation des systèmes asservis.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un disque de masse $m=2$ kg et de rayon $R=0,1$ m tourne autour de son axe central $\Delta$ avec une accélération angulaire $\alpha = 5$ rad/s². Calculer le couple moteur nécessaire, sachant que le couple résistant est $C_r = 0,2$ N.m. ($I_\Delta = \frac{1}{2}mR^2$).

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Exercice 2

Une tige homogène de masse $m=1$ kg et longueur $L=1$ m tourne autour d'une extrémité $O$. Calculer le moment d'inertie $I_O$ sachant $I_G = \frac{1}{12}mL^2$.

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Exercice 3

Un solide est soumis à une force $\vec{F} = 10\vec{x} + 20\vec{y}$ (N). Si sa masse est $m=5$ kg, calculer son accélération $\vec{\Gamma}$.

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