⚙ Spécialité Sciences de l’ingénieur Terminale Générale · Chapitre 1

Dynamique : principe fondamental et inertie

Principe fondamental de la dynamique en translation (? F = m a) et en rotation (? C = J ?), mouvements uniformément variés, inertie, dimensionnement d'un actionneur (ascenseur, véhicule, monte-charge).

1. PFD en translation

Propriété · Principe fondamental de la dynamique

Pour un solide de masse $m$ en translation : $\sum \vec{F}_\text{ext} = m \times \vec{a}$. Si l'accélération est nulle, on retrouve le principe fondamental de la statique. En mouvement uniformément accéléré : $v(t) = a\,t + v_0$ et $x(t) = \dfrac{1}{2}a\,t^2 + v_0\,t + x_0$.

cabinem = 800 kgT (câble)P = m gaccélération a vers le hautPFD : T ? m g = m aT = m (g + a)
Ascenseur au démarrage : le câble doit fournir plus que le poids pour accélérer la cabine.

Exemple · Ascenseur

Cabine de $800$ kg accélérant à $1$ m/s² vers le haut : $T = 800 \times (9{,}81 + 1) \approx 8\,650$ N, contre $7\,850$ N à vitesse constante. Au freinage en montée ($a = -1$ m/s²) : $T \approx 7\,050$ N.

2. PFD en rotation

Propriété · Rotation autour d'un axe fixe

$\sum C = J \times \alpha$, où $J$ (kg·m²) est le moment d'inertie par rapport à l'axe et $\alpha = \dfrac{d\omega}{dt}$ l'accélération angulaire (rad/s²). Pour un cylindre plein de masse $m$ et de rayon $R$ : $J = \dfrac{1}{2}mR^2$. Plus la masse est loin de l'axe, plus l'inertie est grande.

Exemple · Démarrage d'un volant d'inertie

$J = 0{,}2$ kg·m², couple moteur $4$ N·m, frottements négligés : $\alpha = 20$ rad/s². Pour atteindre $300$ rad/s : $t = 15$ s.

3. Dimensionner

Méthode · Démarche

  1. Isoler le solide et faire le bilan des actions extérieures.
  2. Écrire le PFD selon l'axe du mouvement.
  3. En déduire l'effort (ou le couple) nécessaire dans la phase la plus contraignante (souvent l'accélération).
  4. Calculer la puissance maximale $P = F \times v$ ou $P = C \times \omega$ et choisir l'actionneur avec une marge.

Activité · Mesurer une accélération

Matérielchariot sur rail, capteur de position (ou vidéo et logiciel de pointage), masses.
ConsigneTirer le chariot ($0{,}5$ kg) avec une masse suspendue de $50$ g via une poulie ; relever $x(t)$ et en déduire $a$.
Résultat$a \approx 0{,}85$ m/s², proche de la valeur théorique $\dfrac{0{,}05 \times 9{,}81}{0{,}55} \approx 0{,}89$ m/s² (frottements).
BilanLe PFD prédit correctement le mouvement ; l'écart mesure les frottements.

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Exercices corrigés

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1

Accélération

★☆☆

Une force résultante de $300$ N s'applique à un chariot de $150$ kg. Accélération ?

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2

Force nécessaire

★☆☆

Quelle force faut-il pour accélérer une voiture de $1\,200$ kg à $2{,}5$ m/s² (frottements négligés) ?

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3

Vitesse atteinte

★☆☆

Partant de l'arrêt avec $a = 2$ m/s², quelle vitesse au bout de $6$ s ? Distance parcourue ?

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4

Ascenseur à vitesse constante

★☆☆

Tension du câble d'une cabine de $600$ kg montant à vitesse constante ?

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5

Ascenseur qui accélère

★★☆

Même cabine accélérant vers le haut à $1{,}2$ m/s². Tension ?

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6

Ascenseur qui descend

★★☆

La cabine démarre vers le bas avec $a = 1$ m/s². Tension ?

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7

Freinage

★★☆

Une voiture de $1\,000$ kg roulant à $20$ m/s s'arrête en $4$ s. Décélération et force de freinage ?

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8

Distance de freinage

★★☆

Distance parcourue pendant ce freinage ?

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9

Avec frottements

★★★

Un chariot de $50$ kg est poussé par $200$ N ; les frottements valent $50$ N. Accélération ?

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10

Moment d'inertie

★★☆

Moment d'inertie d'un disque plein de $4$ kg et de rayon $0{,}2$ m ?

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11

Accélération angulaire

★★☆

Un couple de $2$ N·m s'applique à ce disque. Accélération angulaire ? Vitesse au bout de $3$ s ?

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12

Temps de démarrage

★★☆

Combien de temps pour que le volant du cours atteigne $150$ rad/s ?

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13

Couple nécessaire

★★★

Un tambour ($J = 0{,}5$ kg·m²) doit passer de $0$ à $100$ rad/s en $2$ s, avec un couple résistant de $5$ N·m. Couple moteur ?

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14

Puissance maximale

★★★

Suite : puissance du moteur à la fin du démarrage ?

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15

Inertie et forme

★★☆

Deux roues de même masse : l'une pleine, l'autre avec la masse à la jante. Laquelle a la plus grande inertie ?

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16

Expérience

★★☆

Recalculer l'accélération théorique de l'activité avec une masse suspendue de $100$ g.

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17

Dimensionner un monte-charge

★★★

Un monte-charge de $400$ kg (charge comprise) doit atteindre $0{,}8$ m/s en $1$ s. Effort maximal du câble ? Puissance maximale ?

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18

Ceinture de sécurité

★★☆

Lors d'un choc, un passager de $70$ kg passe de $15$ m/s à $0$ en $0{,}1$ s. Force moyenne exercée par la ceinture ?

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19

Statique ou dynamique

★☆☆

Dans quel cas le PFD se réduit-il au PFS ?

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20

Vrai ou faux

★★☆

a) $\sum F = m a$. b) Le moment d'inertie s'exprime en kg·m². c) À vitesse constante, la tension du câble d'un ascenseur égale son poids.

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