⚙ Spécialité Sciences de l’ingénieur Première Générale · Chapitre 3

Cinématique et transmission de mouvement

Mouvements de translation et de rotation, vitesse linéaire et angulaire (v = R ?), conversions tr/min et rad/s, trajectoires, transmetteurs : engrenages, poulies-courroie, pignon-crémaillère, vis-écrou, rapport de transmission.

1. Translation et rotation

Définition

En translation, tous les points d'un solide ont la même vitesse $v$ (m/s). En rotation autour d'un axe, le solide a une vitesse angulaire $\omega$ (rad/s) ; un point à la distance $R$ de l'axe a une vitesse $v = R \times \omega$, tangente à sa trajectoire circulaire.

Propriété · Conversions

$\omega = \dfrac{2\pi N}{60}$ avec $N$ en tours par minute. Exemple : $N = 3\,000$ tr/min donne $\omega \approx 314$ rad/s.

2. Transmettre et adapter le mouvement

Z = 20Z = 40pignon menantroue menéerapport de réductionk = Z? / Z? = 20 / 40k = 0,5N? = k × N?
Engrenage : la roue menée tourne deux fois moins vite que le pignon, en sens inverse, mais avec un couple deux fois plus grand (aux pertes près).

Propriété · Rapport de transmission

$k = \dfrac{\omega_\text{sortie}}{\omega_\text{entrée}}$. Engrenage : $k = \dfrac{Z_\text{menant}}{Z_\text{mené}}$ (nombres de dents), sens inversé pour un engrenage extérieur. Poulies-courroie : $k = \dfrac{D_\text{menante}}{D_\text{menée}}$, même sens. Si $k \lt 1$, c'est un réducteur : la vitesse diminue et le couple augmente (aux pertes près, $C_s = \dfrac{\eta\, C_e}{k}$).

Propriété · Transformer le mouvement

Pignon-crémaillère : rotation ? translation, $v = R \times \omega$ ($R$ rayon primitif du pignon). Vis-écrou : un tour de vis fait avancer l'écrou d'un pas $p$ : $v = p \times N$ (avec $N$ en tr/s).

Exemple · Réducteur à deux étages

Étage 1 : $Z = 12$ / $48$ ; étage 2 : $Z = 15$ / $45$. $k = \dfrac{12}{48} \times \dfrac{15}{45} = \dfrac{1}{12}$. Un moteur à $3\,000$ tr/min entraîne la sortie à $250$ tr/min.

Activité · Mesurer un rapport de réduction

Matérielmotoréducteur de laboratoire, tachymètre (ou capteur de rotation).
ConsigneMesurer la vitesse du moteur et celle de l'arbre de sortie, puis compter les dents des engrenages.
Résultat$N_\text{moteur} = 2\,400$ tr/min ; $N_\text{sortie} = 120$ tr/min : $k = 0{,}05$, en accord avec le produit des rapports des dents.
BilanLes rapports se multiplient d'un étage à l'autre.

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Exercices corrigés

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1

Conversion tr/min ? rad/s

★☆☆

Convertir $1\,500$ tr/min en rad/s.

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3

Vitesse d'un point

★☆☆

Une roue de rayon $0{,}3$ m tourne à $20$ rad/s. Vitesse d'un point de la périphérie ?

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4

Vitesse d'un vélo

★★☆

Une roue de vélo de diamètre $0{,}7$ m tourne à $150$ tr/min. Vitesse du vélo en km/h ?

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5

Engrenage simple

★☆☆

Pignon de $15$ dents (menant), roue de $45$ dents. Rapport ? Vitesse de sortie si le pignon tourne à $900$ tr/min ?

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6

Sens de rotation

★☆☆

Dans un engrenage extérieur, les deux roues tournent-elles dans le même sens ?

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7

Roue intermédiaire

★★☆

On place une roue intermédiaire entre le pignon et la roue. Que change-t-elle ?

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8

Poulies

★☆☆

Poulie menante de $8$ cm, menée de $24$ cm. Rapport ? sens ?

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9

Couple de sortie

★★☆

Un réducteur de rapport $\dfrac{1}{10}$ et de rendement $0{,}9$ reçoit un couple de $2$ N·m. Couple de sortie ?

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10

Deux étages

★★☆

Étage 1 : $10/40$ ; étage 2 : $12/36$. Rapport global ?

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11

Vitesse de sortie

★★☆

Avec le réducteur précédent et un moteur à $3\,600$ tr/min, vitesse de sortie ?

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12

Pignon-crémaillère

★★☆

Un pignon de rayon $2$ cm tourne à $5$ rad/s. Vitesse de la crémaillère ?

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13

Vis-écrou

★★☆

Une vis de pas $2$ mm tourne à $300$ tr/min. Vitesse d'avance de l'écrou ?

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14

Temps de course

★★☆

Avec la vis précédente, combien de temps pour une course de $150$ mm ?

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15

Choisir un réducteur

★★★

Un moteur tourne à $3\,000$ tr/min et la roue d'un robot ($R = 5$ cm) doit avancer à $0{,}5$ m/s. Quel rapport de réduction faut-il ?

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16

Vitesse d'une courroie

★★☆

Une poulie de rayon $5$ cm tourne à $1\,200$ tr/min. Vitesse de la courroie ?

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17

Trajectoire

★☆☆

Quelle est la trajectoire d'un point d'une porte qui tourne autour de ses gonds ?

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18

Mesure expérimentale

★★☆

Dans l'activité, vérifier que $k = 0{,}05$.

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19

Irréversibilité

★★★

Pourquoi un système vis-écrou est-il souvent irréversible ?

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) Un réducteur augmente la vitesse. b) $v = R \times \omega$. c) Les rapports de deux étages s'additionnent.

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