Chapitre 3 – Géométrie des masses

Calcul du centre de masse

Soit un solide S, le centre de masse est : OG ⃗ = 1 m ∫ S OM ⃗ . dm
 

Démonstration, le centre de masse G ne dépend pas de l'origine du repère O :

OG ⃗ = 1 m ∫ S OM ⃗ . dm = 1 m ∫ S ( OG ⃗ + GM ⃗ ) . dm = 1 m ( OG ⃗ ∫ S dm + GM ⃗ ∫ S dm )
 
On a donc OG ⃗ = m m OG ⃗ + 1 m ∫ S GM ⃗ . dm donc 1 m ∫ S GM ⃗ . dm = 0

Donc le centre de masse G ne dépend pas de l'origine du repère O.

Propriétés :

Supposons un système S composé de plusieurs solides S i
de masse
m i
, avec
S = S 1 + S 2 + ... + S i
alors on a :
 
OG ⃗ = 1 ∑ m i ∑ i = 1 n ∫ S i OM ⃗ . dm = 1 ∑ m i ∑ i = 1 n m i . OG i ⃗
 

Moment d'inertie : barre / disque / cercle

Soit un solide infinitésimal dS assimilé à un point M de masse dm et soit N le projeté orthogonal de M sur la droite Δ alors le moment d'inertie de M s'écrit : I Δ = ∫ S ( NM ) ²dm

homogénéité : masse × distance²

Soit G le centre de masse de M et soit un repère (O,x,y,z), on a :

I Gz = ∫ S ( x² + y² ) dm I Gx = ∫ S ( y² + z² ) dm I Gy = ∫ S ( x² + z² ) dm
 

Cas d'une barre :
Soit une barre de masse m et de longueur l, orientée selon l'axe (Ox), on a :

D'après les formules ci-dessus : I Ox = ∫ ( 0² + 0² ) dm = 0
I Oy = I Oz = ∫ x²dm = ml² 3
 

Cas d'un cercle :

Soit un cercle de rayon R, de masse m et de centre de masse G, on a :

I Gx = I Gy = m R² 2 I Gz = mR²
 

Cas d'un disque :

Soit un disque de rayon R, de masse m et de centre de masse G, on a :

I Gx = I Gy = m R² 4 I Gz = m R² 2
 

Calcul du moment d'inertie d'un cône plein régulier

 
La tranche de cône a une épaisseur dz, un rayon variable r, un volume dV et une masse dm.
 
dI Oz = dm r² 2
donc I Oz = ∫ V dI Oz = ∫ dm r² 2
 
de plus dm = ρ dV = ρ π r² dz
 

et d'après le théorème de Thalès :

z h = r a ⇒ z = h a r ⇒ dz dr = h a ⇒ dz = h a dr
 
I Oz = ∫ 0 a ρ π r² h a r² 2 dr = ρ π h 2a r 5 5 0 a = ρ π h a 4 10
 
Le volume du cône (homogène) est V = 1 3 πR²h et donc sa masse m = 1 3 πR²h.ρ et sa densité volumique ρ = 3m πa²h , de rayon a (à la base) et de hauteur h.
Donc I Oz = 3m π a² h × π h a 4 10 = 3 m a² 10

Matrice d'inertie (matrice diagonale) à savoir justifier

Une matrice d'inertie au point O s'écrit :

[ J O ] = ∫ S ( y 2 + z 2 ) dm − ∫ S x y dm − ∫ S x z dm symétrique ∫ S ( x 2 + z 2 ) dm − ∫ S y z dm symétrique symétrique ∫ S ( x 2 + y 2 ) dm
 
[ J O ] = I O x -I O xy -I O xz -I O yx I O y -I O yz -I O zx -I O zy I O z avec I Oxy = I Oyx , etc …

Matrice diagonale :

La matrice d'inertie est symétrique si il existe une base orthonormale dans laquelle est elle diagonale.
Dans ce cas le repère associé est appelé « repère principal d'inertie » et les axes sont les « axes principaux d'inertie ».

Propriété :

Si un plan est plan de symétrie de S alors es produits d'inerties faisant apparaître la normale à ce plan sont nuls.

Cas particulier important :

Si 2 plans de référence sont des plans de symétrie, alors la matrice d'inertie est diagonale.

Pour avoir un matrice diagonale il faut soit 2 plans de symétrie soit 1 problème plan + 1 plan de symétrie.

Exemple n°1 : Si Oxy est plan de symétrie ⇒ I Oxz = I Oyz = 0
Si Oxz est plan de symétrie ⇒ I Oxy = I Oyz = 0

La matrice d'inertie devient donc :

[ J O ] = I O x 0 0 0 I O y 0 0 0 I O z
 

Exemple n°2 :

Si le solide est plan dans le plan ( O , ex ⃗ , ey ⃗ ) (sans épaisseur selon ez ⃗ ) alors :

 

[ J O ] = I O x -I O xy 0 -I O xy I O y 0 0 0 I O z = I O x + I O y
 

Chapitre 4 – Cinétique des solides et des systèmes

Résultante cinétique, dynamique

Torseur cinétique : { C } A = { p ⃗ ( S / R ) , σ A ⃗ ( S / R ) }

avec :

 

Relation du transport de moment cinétique : σ B ⃗ ( S / R ) = σ A ⃗ ( S / R ) + BA ⃗ ∧ p ⃗ ( S / R )
L'énergie cinétique est définie par : E C ( S / R ) = 1 2 ∫ S [ V M ⃗ ( S / R ) ] ² dm

 

Torseur dynamique : { D A } = { d ⃗ ( S / R ) , γ A ⃗ ( S / R ) }

avec :

Relation du transport du moment dynamqie : δ B ⃗ ( S / R ) = δ A ⃗ ( S / R ) + BA ⃗ ∧ d ⃗ ( S / R )

Calcul du moment dynamique par rapport au moment cinétique

Calcul des résultantes cinétique et dynamqie :

p ⃗ ( S / R ) = m V G ⃗ ( S / R ) d ⃗ ( S / R ) = m a G ⃗ ( S / R )
 

Calcul des moment cinétique et dynamique :

Formule de l’énergie cinétique (point fixe, centre de masse …)

 

Définition : E C ( S / R 0 ) = 1 2 ∫ S V M ⃗ ( S / R 0 ) 2 dm
E C ( S / R ) = 1 2 σ G ⃗ ( S / R ) . ω ⃗ ( S / R ) + 1 2 m [ V G ⃗ ( S / R ) ] ² E C ( S / R ) = 1 2 σ A ⃗ ( S / R ) . ω ⃗ ( S / R ) + 1 2 V A ⃗ ( S / R ) . m V G ⃗ ( S / R )
 

Chapitre 5 – Principe Fondamentale de la Dynamique (PFD) et théorème énergétique

Puissance

TEC pour un solide

TEC pour un point : d dt E C ( M / R ) = P F → R
 
TEC pour un solide : d dt E C ( S / R ) = P ext → S
 
TEC pour un système à 2 solides (généralisable à n solides) : d dt E C ( Σ / R ) = P Σ ̄ → Σ + P S 1 → S 2