Mecanique Fondamentale exercice.pdf

��

��

Les exercices repris dans cet ouvrage sont le fruit du travail collectif de Benjamin Mertens, Emmanuelle Vin et Anne Lamy

Les exercices repris dans cet ouvrage sont le fruit du travail collectif de Benjamin Mertens, Emmanuelle Vin et Anne Lamy

��

��

�

��

�

�� , �� , ��

� � � � � � � 1� �� 0 ��

��

��

�� , �� , ��

�� 0 �� 111 1�0 1�0 1��

Page | 2

��

Page | 3

Faculté des Sciences Appliquées Mécanique Rationnelle 2

Syllabus d’exercices Énoncés : Cinématique du solide, cinématique instantanée, CIR

�� Formulaire Distribution des vitesses : v A = vB + ω × BA

Distribution des accélérations : a A = aB + ε × BA + ω × (ω × BA ) Distribution des vitesses et accélérations

et vB sont les vitesses (vecteurs coplanaires) des extrémités de la tige AB à l’instant t . Déterminer à cet instant la vitesse angulaire de la tige en fonction de v A , vB et θ .

A

1. v A

L v A

θ v B B

2.

Le parallélogramme ABCD est en rotation dans le plan Axy, autour du point A. Si α est constant, calculer la vitesse et l’accélération de son centre de masse G en fonction de θ , θɺ et θ ɺɺ . Utiliser a) la méthode de dérivation des coordonnées. b) les formules de distribution des vitesses et des accélérations.

y C

D L

α 3L/4

G

B x

θ

A

Mouvement instantané 3.

On considère le système à 3 barres coplanaires représenté cicontre. La barre AB, à cet instant, a une vitesse angulaire instantanée de 6 rad/s et une accélération angulaire instantanée nulle. On demande de déterminer les vitesses et accélérations angulaire instantanées correspondantes pour les barres BC et CD.

0.25 m B

A

6 rad/s°

30°

C

0.3 m 0.4 m

60°

4.

A l’instant où le système représenté est dans la position indiquée (OC verticale, BC horizontale), ω =2rad/s et v A=1.2m/s. 1.) Calculer à cet instant la vitesse angulaire de BC . 2.) Déterminer la position des centres instantanés de rotation de BC et de AB et vérifier graphiquement.

B A

vA

40cm

c m 5 0

O

D

C 30cm ω

Page | 4

Faculté des Sciences Appliquées Mécanique Rationnelle 2 5.


Une plaque triangulaire est accrochée à l’aide de deux barres de longueur différentes. 1. Calculez la distance AC pour que la hauteur OS du triangle soit horizontale dans la configuration donnée par le dessin.

D

E 60° 6m

A l’instant représenté, la barre AE tourne à la vitesse angulaire ɺ constante θ de 3 rad/s.

. ϕ

S

ɺ 2. Quelle est la vitesse angulaire instantanée ϕ de la barre CD ? 3. Calculer la vitesse et l’accélération du point S .. 6.

Un mécanisme dessiné ci-contre est utilisé pour pousser des petites boites de leur position de stockage sur un convoyeur. Au moment initial, OD et BC sont en position verticale. BC tourne à vitesse constante dans le sens horlogique pour effectuer un tour toutes les deux secondes. Pour la position dessinée, déterminer la vitesse angulaire de chacune des barres ainsi que la vitesse à laquelle la boite est poussée horizontalement sur le convoyeur.

60° 4m

. θ

A

C

3m

30° 30°

O B

2r

4 r

6r r /2 2r

r

r

2r

Mouvement relatif 7.

Bille se déplaçant dans un tube en rotation. Le système est constitué d’un tube s pouvant être mis en rotation autour de l’axe vertical Oz à l’aide d’un moteur. On désigne par ω la vitesse angulaire (constante) de ce tube par rapport au bati S 0. A l’intérieur de ce tube, une masse m, de centre de gravité c, peut rouler sans frottement.

z c

Déterminer l’accélération du centre de gravité c de la masse m. O

8.

Les deux branches d’un T symétrique ont même longueur L. Le T, ABC, est articulé en A sur un axe vertical OZ. Un point P peut se déplacer le long de BC. Le T peut tourner autour de A dans le plan vertical zOx, qui, lui-même, peut tourner autour de OZ .

Z C A

θ

a) Déterminer la vitesse ainsi que l’accélération du point D. b) Déterminer la vitesse du point P mobile sur la tige BC

P D

B Y X

ϕ

x

Page | 5

Faculté des Sciences Appliquées Mécanique Rationnelle 2 9.


A la fin de la piste de décollage, l’avion effectue une légère rotation avant de décoller. La vitesse et l’accélération de l’avion exprimées au niveau du point C sont v c et ac. L’angle θ entre le sol et l’avion évolue avec la vitesse ω=dθ /dt et l’accélération ε = dω /dt. Une personne A marche vers l’avant de l’avion avec la vitesse et l’accélération suivante : v rel et arel. Déterminer la vitesse et l’accélération de la personne A vue par un observateur au sol.

10. Une tige mince AB de longueur 3L est reliée comme indiquée

sur la figure par deux glissières à deux droites perpendiculaires OX et OZ qui tournent dans un plan fixe Oxz. Calculer les composantes dans les axes XYZ de la vitesse (absolue) et de l’accélération (absolue) du centre C de la tige 1. par dérivation des coordonnées de C dans les axes XYZ 2. par application des formules de distribution des vitesses dans un solide 3. après avoir déterminé le mouvement du point C . Déterminer entièrement le mouvement instantané de la tige AB �. pour un observateur attaché aux axes XYZ 5. pour un observateur attaché aux axes xyz (discuter les différents cas correspondant aux valeurs de φ et θ )

eCIR 11.

C A 2r O

C

r

r

A

B

2r

r

O.

B

r

(b)

(a)

Déterminer pour chacun des deux cas, la vitesse angulaire de la barre CB à l’instant dessiné. 12. Un tapis roulant incliné d’un angle α par rapport à

l’horizontale et avançant à une vitesse constante vt permet de passer avec des caddies du niveau parking au niveau magasin du supermarché. On considère un caddie parvenu au niveau supérieur dont les roues avant ont déjà parcouru une distance x sur le sol horizontal. L’entre-axe entre les roues avant et arrière est L La personne qui pousse le caddie marche sur le tapis roulant et le fait avancer avec une vitesse relative vc Les roues, de rayon R, roulent sans glisser sur le tapis et sur le sol. On demande : vc 1. la vitesse et l’accélération angulaire d’une des roues arrière. 2. la vitesse angulaire du caddie 2 3. la vitesse du point d’une des roues arrière qui L sol fixe se déplace le plus vite 4. la vitesse du point d’une des roues arrière qui 1 α x se déplace le moins vite tapis roulant 5. la position du CIR du caddie. vt

Page | 6



13. La roue circulaire de rayon r tourne librement autour du bras coudé CO en rotation autour de l’axe vertical à la vitesse angulaire constante de p rad/s. Le disque roulant sans glisser sur le plan horizontal à une distance R. de l’axe de rotation.

1. Déterminer entièrement le mouvement instantané du disque (l’axe instantané de rotation, la vitesse angulaire ω et l’accélération angulaire ε de la roue). 2. Déterminer la vitesse et l’accélération instantanée du point du disque opposé au point de contact.

PS : L’axe x est toujours horizontal. 14. A l’instant où le disque de rayon R

est dans la position indiquée sur la figure, et en supposant que les vitesses angulaires ω 1 et ω 3 sont constantes dans le temps, 1) Déterminer les composantes dans les axes xyz ( x est l’axe horizontal du mécanisme et y l’axe vertical) de la vitesse et de l’accélération angulaire du disque, ainsi que la vitesse et l’accélération du point A. 2) Discuter le type de mouvement du disque en fonction des valeurs ω 1 , ω 2 et ω 3. Et préciser dans chaque cas ce qui permet de caractériser entièrement ce mouvement. 3) Tous les points de l’axe hélicoïdal instantané ont-ils le même vecteur accélération ? NB : O est un point fixe

y A

ω2 O

ω1 x

C

ω3

15. Un disque de rayon R peut rouler sans glisser à l’intérieur d’un anneau circulaire mince (fixe) de centre O et de rayon 4R. Au centre C du disque est articulée une tige mince homogène de longueur 4R dont l’extrémité D peut glisser le long de

y

l’anneau. Le système est dans un plan fixe. En choisissant comme coordonnée généralisée l’angle θ indiqué sur la figure, déterminer les types de mouvement du disque et de la tige, et indiquer ce qui les caractérise entièrement. Calculer les composantes dans les axes xy de la vitesse et de l’accélération du centre de masse G de la tige.

O

C

x

G

θ 16. Une

tige homogène AB est fixée en A et s’appuie sur un disque circulaire de rayon R et de centre C de manière telle qu’il y a roulement sans glissement entre les deux solides, alors que le disque peut se déplacer sans frottement sur l’horizontale passant par A (le système est dans un plan vertical fixe). Déterminer la vitesse du point C ainsi que la vitesse angulaire de rotation du disque en fonction de θ et θ ɺ

B

C

θ

A

Page | 7



17. La bague extérieure du roulement à billes roule sans glisser la gauche avec une vitesse de son centre O égale à v.

vers

L’axe central qui est enserré dans la bague intérieure du roulement, tourne dans le sens trigonométrique avec une vitesse angulaire Ω . Déterminer la vitesse angulaire instantané ω du roulement du bas.

a

O

b

c

18. La figure ci-dessous représente un broyeur. La roue circulaire ( AB) de rayon R tourne librement autour du bras CD en rotation autour de l’axe vertical OO’ à la vitesse angulaire constante de Ω rad/s. Le disque AB roule sans

glisser sur le plan horizontal.

B

O’

C

4R R

D O

1) Déterminer entièrement le mouvement instantané du disque (la vitesse angulaire ω et l’accélération angulaire ε de la roue). 2) Déterminer la vitesse et l’accélération instantanée du point du disque opposé au point de contact. 19. En

1985, John Howard établit un record de vitesse à vélo. Roulant derrière un véhicule servant à réduire la résistance de l’air, il atteint une vitesse de 152 miles à l’heure. Le mécanisme d’entraînement de la bicyclette est composé d’une roue dentée de 12cm de rayon relié à l’aide d’une chaîne à une autre roue dentée de 3cm de rayon. Cette dernière est solidaire d’une roue dentée de 10cm de rayon reliée par une deuxième chaîne à la roue dentée de 3cm solidaire de la roue arrière. Le rayon de la roue arrière est de 23.5cm. Lorsque cet athlète roule à une vitesse de 152 miles à l’heure, quelle est la vitesse de rotation du pédalier (en tours par minutes) ? PS : 1 mile=1.609344 km

Page | 8



Caractéristique des mouvements 20. Deux

tiges AB et HE , de longueur L, sont soudées à angle droit en (milieu de AB) pour former un té. La glissière H peut coulisser sur OZ et la tige AB glisse dans le plan fixe OXY . La position du té est repérée par les angles ϕ et θ variables. A l’instant représenté sur la figure ci-contre, on demande : 1. de calculer le vecteur vitesse angulaire instantané du té ; 2. de calculer la vitesse des points H, A , B et E ; 3. de discuter la nature du mouvement ɺ ɺ instantané en fonction de θ et ϕ ; dans chacun des cas identifiés, caractérisez entièrement celui-ci.

Z=z H y Y

O

ϕ

θ

B E

x

A X

Cinématique des solides 21. Déterminer

une relation exprimant la vitesse verticale v de la voiture en fonction de θ . Le piston sort du cylindre à la vitesse u.

REP v =

2u b 2 + L2 − 2bL cos θ L tan θ

b

2b

b

θ

θ L

22. Le problème est plan (2-D). Le système, soumis à l’effet de

la

gravité, est composé de : - Un anneau de masse M, de rayon R et de centre A, qui roule sans glisser sur un sol plat. - Un disque de rayon a, de centre B, et de masse homogène m. - Une barre AB, de masse négligeable, articulée en A et autour de laquelle le disque peut tourner librement En cours de mouvement, ce disque roule sans glisser sur la piste de forme circulaire formée par l’intérieur de l’anneau.

g

R

A

a B D C

Déterminer la vitesse angulaire de chacun des solides en fonction des degrés de liberté que vous définissez. Déterminer la vitesse ainsi que l’accélération du point B.

Page | 9



23. Un cube de côté d a son centre de masse G fixé sur une tige OG, qui le traverse par le milieu de deux faces opposées. L’extrémité O est fixe et OG = L. La tige OG tourne sur elle-

θ

B

même ( θ ɺ (t)), et est, de plus, animée d’un mouvement de ɺ (t)) autour d’un axe vertical fixe avec lequel elle fait rotation ( φ un angle constant α.

φ

A

G

α

Déterminer la vitesse du point A (un des sommet supérieur du cube) O

a) par les formules de distribution des vitesses. b) par la méthode de dérivation des coordonnée dans les axes liés à la tige. Déterminer l’accélération angulaire du cube dans les axes liés à la tige. Déterminer l’accélération angulaire du cube dans les axes liés au cube. 24. Le double pendule de la figure ci-contre est

placé dans le plan vertical. Ce double pendule est constitué de deux barres homogènes AB et BC de masse m et de longueur L. La barre AB est reliée au bâti s par une liaison rotoïde parfaite en A et à la barre BC en B par une autre liaison rotoïde parfaite. La position de ce pendule est repérée par les angles θ 1 et θ 2; l'angle θ 1 étant l'angle que fait la barre AB avec la verticale et l’angle θ 2 est l’angle que fait la barre BC avec la barre AB.

A

θ 1

G1

B G2 C

θ 2

On demande d'exprimer en fonction de ces deux angles la vitesse absolue vG1 et l'accélération absolue aG1 du centre de gravité G1 de la barre AB ainsi que la vitesse absolue vG2 et l'accélération absolue aG2 du centre de gravité G2 de la barre BC par rapport au bâti. 25. Le bras OA tourne autour du point fixe

du cylindre O à la vitesse de 90 tours par minute dans le sens horlogique. Déterminer la vitesse angulaire de rotation instantanée du solide central S 1. 1. Si la bague extérieure est fixe 2. Si la bague extérieure est en mouvement de rotation de 80 tours/min autour de O (sens anti-horlogique). Vérifier graphiquement.

a S

A O S 1

Page | 10



26. Le manège représenté ci-dessous est composé de 3 bras (S 2) fixés rigidement sur S 1 (moteur de rayon r ). Ce socle tourne à la θ ɺ

.

θ

vitesse constante autour de l’axe vertical. Sur chacun des bras S 2 (de longueur L) est articulé un bras S 3 (vertical au repos). Le mouvement du bras S 3 se fait dans le plan défini par S 2 et S 3. Une nacelle S 4 est fixée, en son centre, au bout du bras S 3. Celle-ci ɺ tourne autour du bras avec une vitesse angulaire constante γ . Un bonhomme est assis dans la nacelle S 4 , sa tête ( P) est située à une hauteur h de la face supérieure de la nacelle.

S 3 S 4 S 2

θ S 1 S 0

1. Déterminer le vecteur vitesse angulaire de la nacelle occupée par le bonhomme. 2. Choisir le repère dans lequel vous exprimerez la vitesse du bonhomme. (Préciser les axes sur le dessin) 3. Quel vecteur allez-vous donc utiliser pour dériver les axes de votre repère ? 4. Si le bonhomme est solidement attaché (considérer la nacelle et le bonhomme comme indéformable), expliciter la (les) équations donnant la vitesse de la tête P ainsi que tous les termes (vecteurs) compris dans ces équations sans effectuer les produits vectoriels.

60° S 1

60°

S 2

r S 3 S 2

L

α O

S 4

h

h

P

α

β γ

Position au repos

5. Déterminer l’accélération angulaire de la nacelle S 4. 6. Déterminer l’accélération subie par la tête du bonhomme P (en explicitant tous les termes encore inconnus et sans effectuer les produits vectoriels). 27. Un manège à sensation est modélisé de la manière suivante : Un disque S O, incliné d’un angle θ , par rapport à l’horizontale, est en rotation constante ( ω 1) autour de l’axe OO’ passant son centre O dans le sens horlogique. Quatre dispositifs semblables ( S A , S B , S C , S D) sont placés aux quatre points du disque ( O A , O B , OC , O D) distant

d’une longueur L1 du centre du disque. Chacun de ces dispositifs tourne autour de son centre (respectivement suivant les axes OiOi’ ) avec une vitesse angulaire constante ω2 dans le sens anti-horlogique par rapport au disque S 0. Le dispositif S B est constitué de deux bras de longueur L2 soudés en leur centre ( O B), de même pour les autres dispositifs. À l’extrémité de chaque bras (par exemple C ) est articulé une cabine. Le support de la cabine est articulé en C et permet une rotation ( ω 3(t)) suivant l’axe CC’. La cabine est elle-même en rotation ( ω 4(t)) autour de l’axe AA’. (Rem : Détailler les repères ainsi que les angles utilisés.) 1. Écrire la vitesse et l’accélération angulaires absolue ( ω et ε ) de la cabine S Cab dans un repère de votre choix centré en C . 2. Écrire la vitesse absolue que subit la tête du passager de la cabine (située à une distance L3 de l’axe CC’ et L4 de l’axe AA’). Sans calculer les produits vectoriels ni les sommes, écrire l’équation de l’accélération absolue que subit la tête du passager ainsi que le détail de chacun des termes compris dans cette équation.

Page | 11


Syllabus d’exercices Énoncés : Cinématique du solide, cinématique instantanée, CIR O’

OC S C

OC

O A’

S O

O O A

θ L1 O D

A

A’ O B

O

L3

C

C’ S Cab

L4

S D

S B

A’

L2

A

S S

O A S A

S O

C

28. Un ventilateur peut être modélisé de la manière suivante : un moteur dans le socle S 1 permet la rotation autour de l’axe CC avec la vitesse angulaire q ainsi que la rotation autour de son axe BO. Le solide S 2 dont le centre est séparé de B d’une distance égale à b permet de faire tourner le ventilateur autour de l’axe OD avec la vitesse angulaire p. Le rayon du solide S 3 est R. Ce solide est distant de a du centre O du solide S 2. 1. Exprimer la vitesse angulaire du disque S 3. 2. Exprimer l’accélération angulaire du disque S 3.

a p

C S 2

D O

S 1

θ

S 3 B

A

3. Déterminer la vitesse du point A. 4. Déterminer l’accélération du point A.

q

b

C

29. Un bras manipulateur d’atelier flexible, chargé de transporter des

pièces d’un poste de travail à l’autre est

composé de : - un bras OA, de longueur 2a, lié au bâti par une liaison pivot en O. - un bras AB, de longueur 2a, lié au bras OA par une liaison pivot en A. - un vérin d’épaule CD lié au bâti par une liaison pivot en C ainsi qu’au bras OA par la liaison pivot en D (situé à la moitié de OA) - un vérin d’épaule DE lié au bras OA par une liaison pivot en A ainsi qu’au bras AB par la liaison pivot en E (situé à la moitié de AB) On considère les vitesses de sortie des vérins constantes et égale à V=1 mm/s. Déterminer la vitesse de B en fonction des paramètres α , β et V.

a

A

β

OC

= a.

2 2

a

a D

a

O

α

a

E

C

B

2 2

Page | 12



30. Le manège représenté ci-dessous est composé de :

- un bras fixe vertical muni d’un rotor incliné à α 1 constant° - un bras S1 fixé sur ce rotor tournant avec une vitesse angulaire ω 1 constante. un rotor S2 fixé au bout du bras S 1 (incliné de α 2 constant par rapport à ce dernier) et tournant avec une vitesse angulaire ω 2 constante. 6 bras (du type S 3) répartis tous les 60° sur le rotor S 2 et tournant avec une vitesse angulaire ω 3(t ) dans le plan du rotor S2. Au repos, le rotor S 2 ainsi que les 6 bras sont horizontaux. 60°

S2

S3

ω 1

α 1

ω 3

S1

ω 2 S0

α 2 S2

Rem : Pour plus de compréhension, les dessins ont été représentés dans une situation instantanée particulière. Tenez bien compte de toutes les rotations représentées. Déterminer les différents systèmes d’axes que vous aller utiliser pour calculer la vitesse angulaire du solide S 3. Déterminer le vecteur vitesse angulaire du solide S 3. Déterminer l’accélération angulaire du S 3. 31. Un ensemble de panneaux attachés à un système d’axe xyz

tourne avec une vitesse angulaire Ω constante autour de l’axe vertical z. Simultanément, les panneaux tournent autour de l’axe x dans des sens opposés avec une vitesse angulaire constante ω . 1. Déterminer l’accélération angulaire de la plaque A. 2. Déterminer la vitesse du point P 5. Déterminer l’accélération du point P quand β = 90°

Page | 13



17. La bague extérieure du roulement à billes roule sans glisser la gauche avec une vitesse de son centre O égale à v.

vers

L’axe central qui est enserré dans la bague intérieure du roulement, tourne dans le sens trigonométrique avec une vitesse angulaire Ω . Déterminer la vitesse angulaire instantané ω du roulement du bas.

a

O

b

c

18. La figure ci-dessous représente un broyeur. La roue circulaire ( AB) de rayon R tourne librement autour du bras CD en rotation autour de l’axe vertical OO’ à la vitesse angulaire constante de Ω rad/s. Le disque AB roule sans

glisser sur le plan horizontal.

B

O’

C

4R R

D O

1) Déterminer entièrement le mouvement instantané du disque (la vitesse angulaire ω et l’accélération angulaire ε de la roue). 2) Déterminer la vitesse et l’accélération instantanée du point du disque opposé au point de contact. 19. En

1985, John Howard établit un record de vitesse à vélo. Roulant derrière un véhicule servant à réduire la résistance de l’air, il atteint une vitesse de 152 miles à l’heure. Le mécanisme d’entraînement de la bicyclette est composé d’une roue dentée de 12cm de rayon relié à l’aide d’une chaîne à une autre roue dentée de 3cm de rayon. Cette dernière est solidaire d’une roue dentée de 10cm de rayon reliée par une deuxième chaîne à la roue dentée de 3cm solidaire de la roue arrière. Le rayon de la roue arrière est de 23.5cm. Lorsque cet athlète roule à une vitesse de 152 miles à l’heure, quelle est la vitesse de rotation du pédalier (en tours par minutes) ? PS : 1 mile=1.609344 km

Page | 8

Mecanique Fondamentale exercice.pdf

Recommend Documents