Programme

Sciences de l'ingénieur (Spé) — Mécanique

Dynamique des systèmes : PFD, théorème de l'énergie cinétique

Principe fondamental de la dynamique en translation et rotation, théorème de l'énergie cinétique, application aux systèmes mécaniques

Résumé synthétiqueFiche en 4 sectionsQuiz de 10 questionsGratuit, sans pub

Résumé

La dynamique relie les forces appliquées à un système à son mouvement. Pierre angulaire : le Principe Fondamental de la Dynamique (PFD), la deuxième loi de Newton, qui s'écrit en translation $\sum \vec{F}_{ext} = m\,\vec{a}_G$, où $m$ est la masse et $\vec{a}_G$ l'accélération du centre de gravité. Un chariot de $50\ \mathrm{kg}$ poussé par $200\ \mathrm{N}$ contre un frottement de $50\ \mathrm{N}$ accélère à $a = \dfrac{200 - 50}{50} = 3\ \mathrm{m/s^2}$. En rotation autour d'un axe fixe, le PFD devient $\sum M_\Delta = J_\Delta\,\alpha$, où $J_\Delta$ est le moment d'inertie et $\alpha$ l'accélération angulaire. Quand on cherche une vitesse ou un travail sans passer par l'accélération, le théorème de l'énergie cinétique (TEC) est plus direct : $\Delta E_c = \sum W(\vec{F}_{ext})$. Pour arrêter une voiture de $1000\ \mathrm{kg}$ roulant à $20\ \mathrm{m/s}$, le freinage doit dissiper $\tfrac12 m v^2 = 200\ \mathrm{kJ}$. Choisir entre PFD et TEC selon la question posée : voilà tout l'art de la dynamique.

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Questions fréquentes

Les points clés à retenir sur Dynamique des systèmes : PFD, théorème de l'énergie cinétique, extraits du quiz de révision.

Quelle est l'expression du PFD en translation ?
Réponse :
$\sum \vec{F}_{ext} = m\,\vec{a}_G$
Le PFD (deuxième loi de Newton) en translation s'écrit $\sum \vec{F}_{ext} = m\,\vec{a}_G$ : la somme vectorielle des forces extérieures égale la masse fois l'accélération du centre de gravité. Il relie les forces à l'accélération, jamais à la vitesse.
Quel est le moment d'inertie d'un disque plein de masse $m$ et de rayon $R$ par rapport à son axe ?
Réponse :
$\tfrac12 m R^2$
Le moment d'inertie d'un disque plein homogène par rapport à son axe de symétrie vaut $J = \tfrac12 m R^2$. La formule $\tfrac{2}{5} m R^2$ correspond à une sphère pleine, et $\tfrac{1}{12} m L^2$ à une barre autour de son centre.
Le théorème de l'énergie cinétique s'écrit :
Réponse :
$\Delta E_c = \sum W(\vec{F}_{ext})$
Le TEC énonce que la variation d'énergie cinétique $\Delta E_c$ égale la somme des travaux de toutes les forces extérieures. C'est une équation scalaire, très efficace pour trouver une vitesse.
Un objet de $2\ \mathrm{kg}$ passe de $0$ à $10\ \mathrm{m/s}$. Quelle est la variation de son énergie cinétique ?
Réponse :
$100\ \mathrm{J}$
$\Delta E_c = \tfrac12 m v^2 - 0 = \tfrac12 \times 2 \times 10^2 = 100\ \mathrm{J}$. Attention à élever la vitesse au carré : doubler la vitesse quadruple l'énergie cinétique.