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SII · C14 — Résistances au mouvement et actions locales

C14 — Modéliser les résistances au mouvement et les actions locales

Modéliser une action mécanique à partir d'un modèle local (champs de forces volumiques / surfaciques / linéiques) ; en déduire le modèle global (pesanteur, centre de gravité) ; modéliser les actions de contact avec frottement : cinématique du contact ponctuel, lois de Coulomb, cône d'adhérence, arc-boutement, résistance au roulement et au pivotement.

Sommaire du chapitre
📌 Fiche mémo — C14 Résistances au mouvement et actions locales
Non-pénétration\(\vec V_{J\in2/1}\cdot\vec n=0\) ; \(\vec\Omega_{2/1}=\Omega_{piv}\vec n+\vec\Omega_{roul}\)
Vitesse de glissement\(\vec V_{J\in2/1}=\vec V_{J\in2/0}-\vec V_{J\in1/0}\) (dans le plan tangent)
Loi de Coulomb\(\|\vec T_{1\to2}\|\le\mu\|\vec N_{1\to2}\|\) ; adhérence si \(\vec V_{J\in2/1}=\vec0\), frottement si \(\neq\vec0\) (alors égalité)
Direction du frottement\(\vec T_{1\to2}=-\mu\|\vec N\|\,\vec t\) avec \(\vec t=\vec V_{J\in2/1}/\|\vec V_{J\in2/1}\|\) : s'oppose au glissement
Cône d'adhérence\(\mu=\tan\varphi_{lim}\) ; \(\vec R_{1\to2}\) dans le cône ⟹ adhérence ; sur le cône ⟹ glissement
Coefficient \(\mu\)indépendant de la force de pression et de l'aire de contact ; dépend des matériaux et de la lubrification
Arc-boutementéquilibre maintenu quel que soit l'effort qui tend à le rompre
Pivotement / roulement\(\|\vec M^p\|\le\delta\|\vec N\|\) ; \(\|\vec M^r\|\le\eta\|\vec N\|\) (\(\delta,\eta\) en m)
Action locale\(d\vec F=\vec q\,dl\ /\ \vec q\,dS\ /\ \vec q\,dV\) ; global : \(\vec R=\int d\vec F\), \(\vec M_A=\int\vec{AQ}\wedge d\vec F\)
Pesanteur\(d\vec F=\rho\,dV\,\vec g\) ; global : glisseur \(\{m\vec g;\vec0\}_G\), \(G\) barycentre : \(\int\vec{GQ}\,dm=\vec0\)
Masses volumiquesacier 7800 ; aluminium 2700 ; PVC ≈ 1400 kg·m⁻³
Contact surfacique\(d\vec N=-p\,dS\,\vec n_{21}\) ; \(\|d\vec T\|\le\mu\,p\,dS\) (adhérence) ou \(=\mu\,p\,dS\) (glissement)
Limite de glissement (ponctuel)supposer le mouvement 2/1 ⟹ direction de \(\vec T\) ⟹ appliquer Coulomb (égalité) ⟹ vérifier l'équilibre (PFS) pour valider l'hypothèse

1. Résumé de cours détaillé

1.1 Notion d'adhérence et de frottement

Les phénomènes de frottement et d'adhérence sont omniprésents dans l'étude du comportement et la conception des systèmes. Ils peuvent être :

Définitions Frottement et adhérence caractérisent une résistance au glissement entre 2 solides en contact :
• Frottement s'il existe un mouvement relatif (glissement) ;
• Adhérence s'il n'existe pas de mouvement relatif (pas de glissement).

Ces phénomènes sont présents pour des actions mécaniques de contact surfacique et ponctuel ; ils sont liés au glissement et plus généralement au roulement et au pivotement, c'est-à-dire à la cinématique du contact.

1.2 Cinématique du contact ponctuel

Soient deux solides (1) et (2) en contact en un point \(J\) de normale \(\vec n\). La condition de non-pénétration et de maintien du contact s'écrit \(\ \vec V_{J\in2/1}\cdot\vec n=0\). Le torseur cinématique de 2/1 est \[\{\mathcal V_{2/1}\}=\Big\{\begin{array}{l}\vec\Omega_{2/1}\\ \vec V_{J\in2/1}\end{array}\Big\}_J=\Big\{\begin{array}{l}\Omega_{piv\,2/1}\,\vec n+\vec\Omega_{roul\,2/1}\\ \vec V_{J\in2/1}\end{array}\Big\}_J .\]

Caractéristiques cinématiques du contact • \(\Omega_{piv\,2/1}\vec n\) : composante de pivotement de 2/1, de direction \(\vec n\) ;
• \(\vec\Omega_{roul\,2/1}\) : composante de roulement de 2/1 — perpendiculaire à \(\vec n\), donc parallèle au plan tangent commun ;
• \(\vec V_{J\in2/1}\) : vitesse de glissement de 2/1 — parallèle au plan tangent commun (puisque \(\vec V\cdot\vec n=0\)).
Calculs • Vitesse de glissement : composition des vitesses \(\ \vec V_{J\in2/1}=\vec V_{J\in2/0}+\vec V_{J\in0/1}=\vec V_{J\in2/0}-\vec V_{J\in1/0}\).
• Pivotement et roulement : on cherche le vecteur rotation \(\vec\Omega_{2/1}\), puis on le projette suivant la normale (\(\Omega_{piv}=\vec\Omega_{2/1}\cdot\vec n\)) et suivant le plan tangent (\(\vec\Omega_{roul}=\vec\Omega_{2/1}-\Omega_{piv}\vec n\)).
Piège Le vecteur rotation \(\vec\Omega_{2/1}\) n'est lié à aucun point particulier, alors que ses composantes de pivotement et de roulement dépendent du contact, donc du point \(J\) et de sa normale. Le roulement sans glissement est le cas \(\vec V_{J\in2/1}=\vec0\) (pas \(\vec\Omega_{roul}=\vec0\)).

1.3 Résistance au glissement et loi de Coulomb

Mise en évidence (expérience du colis)

Un colis \(S_2\) est posé sur un plan horizontal \(S_1\). On lui applique un effort horizontal \(\vec F\) de plus en plus important, de droite d'action passant par \(G\), pour le faire glisser. On suppose l'équilibre à tout instant. Actions sur \(S_2\) : le poids \(\vec P_2\), l'effort \(\vec F\), et l'action de \(S_1\) sur \(S_2\). L'action équivalente à \(\vec P_2\) et \(\vec F\) est une force, donc (PFS) l'action de \(S_1\) sur \(S_2\) est aussi une force passant par \(G\), de résultante \(\vec R_{1\to2}=\vec N_{1\to2}+\vec T_{1\to2}\) : \(\vec N_{1\to2}\) composante normale, \(\vec T_{1\to2}\) composante tangentielle (adhérence ou frottement).

SituationAu reposTendance au glissementLimite ou glissement
Effort \(\vec F\)\(\|\vec F\|=0\)\(\vec F\) agit sur \(S_2\), tend à le faire glisser\(S_2\) est à la limite de glisser (ou glisse dans le même sens que \(\vec F\))
Action de \(S_1\) sur \(S_2\)\(\vec N_{1\to2}=-\vec P_2\), \(\vec T=\vec0\)\(\vec T_{1\to2}\ne\vec0\) s'oppose au mouvement relatif ; \(\vec R\) inclinée de \(\varphi\) par rapport à la normale\(\vec T=\vec T_{lim}\), \(\varphi=\varphi_{lim}\)
Norme de \(\vec T\)\(\|\vec T\|=\|\vec F\|=0\)\(\|\vec T\|=\|\vec F\|<\|\vec T_{lim}\|\)\(\|\vec T\|=\|\vec F\|=\|\vec T_{lim}\|\)
NomreposAdhérence (équilibre stable)Adhérence limite ou frottement

\(\vec T_{lim}\) est l'action tangentielle limite à partir de laquelle l'équilibre est rompu : \(S_2\) se met à glisser par rapport à \(S_1\). Au-delà, le « comportement dynamique » : l'équilibre est rompu, l'accélération est non nulle, le solide glisse.

Tlim = μNADHÉRENCEéquilibre : ‖T‖ = ‖F‖ ≤ μNFROTTEMENT (glissement)‖T‖ = μN (constant) < ‖F‖‖T‖ = ‖F‖ (pente 1)intensité de l'effort tangentiel appliqué ‖F‖‖T‖ (action tangentielle de 1 sur 2)‖F‖ = Tlim
Évolution de l'action tangentielle \(\|\vec T\|\) en fonction de l'effort appliqué \(\|\vec F\|\) : droite de pente 1 tant que le colis est en équilibre (adhérence), puis palier à \(\mu N\) pendant le glissement.
Piège En adhérence, \(\|\vec T\|\ne\mu N\) : \(\|\vec T\|\) vaut ce que l'équilibre exige (ici \(\|\vec F\|\)), qui est inférieur ou égal à \(\mu N\). L'égalité \(\|\vec T\|=\mu N\) n'est vraie que à la limite du glissement ou pendant le glissement.

Lois de Coulomb

Pour deux solides (1) et (2) en contact supposé ponctuel en \(P\), le torseur d'action mécanique de (1) sur (2) s'écrit \(\{\mathcal T_{1\to2}\}=\{\vec R_{1\to2}=\vec N_{1\to2}+\vec T_{1\to2};\ \vec0\}_P\), avec \(\vec N_{1\to2}\) normale au contact et \(\vec T_{1\to2}\) tangentielle (dans le plan tangent commun).

Loi de Coulomb \[\boxed{\|\vec T_{1\to2}\|\le\mu\,\|\vec N_{1\to2}\|}\qquad(\mu\ge0\ :\ \text{coefficient d'adhérence, souvent noté } f\text{, « coefficient de frottement »})\] • Si \(\vec V_{P\in2/1}=\vec0\) : \(\|\vec T_{1\to2}\|\le\mu\|\vec N_{1\to2}\|\) → adhérence ;
• Si \(\vec V_{P\in2/1}\ne\vec0\) : \(\|\vec T_{1\to2}\|=\mu\|\vec N_{1\to2}\|\) → frottement ;
et la composante tangentielle s'oppose au glissement. Avec \(\vec t=\dfrac{\vec V_{P\in2/1}}{\|\vec V_{P\in2/1}\|}\) (dans le plan tangent) : \(\ \vec T_{1\to2}=-\mu\|\vec N_{1\to2}\|\,\vec t\), d'où \(\vec T_{1\to2}\wedge\vec V_{P\in2/1}=\vec0\) (colinéaire) et \(\vec T_{1\to2}\cdot\vec V_{P\in2/1}<0\) (opposée).
À la limite de glissement (démarche pour un contact ponctuel) On suppose qu'il y a adhérence et que la direction de la composante tangentielle est déterminée par la tendance au glissement :
1. Supposer un mouvement de 2/1 en cas de rupture de l'adhérence ;
2. En déduire la direction de la composante tangentielle \(\vec T_{1\to2}=-T_{1\to2}\vec t\), avec \(\vec t=\vec V_{P\in2/1}/\|\vec V_{P\in2/1}\|\) ;
3. Appliquer la loi de Coulomb (égalité) : \(\{\mathcal T_{1\to2}\}=\{\vec N_{1\to2}-\mu\|\vec N_{1\to2}\|\vec t;\ \vec0\}_P\) ;
4. Vérifier l'équilibre de \(S_2\) (PFS) : cela valide l'hypothèse cinématique.

Cône de frottement (ou d'adhérence)

Définitions L'angle d'adhérence \(\varphi\) est tel que \(\|\vec T_{1\to2}\|=\tan\varphi\,\|\vec N_{1\to2}\|\). L'angle d'adhérence limite \(\varphi_{lim}\) est tel que \(\mu=\tan\varphi_{lim}\). Le cône d'adhérence est le cône de sommet le point de contact et de demi-angle \(\varphi_{lim}\), d'axe la normale.
plan tangent communcône d'adhérence (demi-angle φlim)NTRφAdhérence : R à l'intérieur du côneplan tangent communcône d'adhérence (demi-angle φlim)NTRφGlissement : R sur le cône (φ = φlim)
À gauche : non-glissement ⟺ adhérence, \(\vec R_{1\to2}\) à l'intérieur du cône. À droite : glissement ⟺ frottement, \(\vec R_{1\to2}\) sur le cône (limite d'adhérence = limite de glissement), \(\vec T\) opposée à la vitesse de glissement.
À retenir L'équilibre n'est possible que si la résultante \(\vec R_{1\to2}\) reste dans le cône d'adhérence : \(\varphi\le\varphi_{lim}=\arctan\mu\). C'est la forme géométrique de \(\|\vec T\|\le\mu\|\vec N\|\).

Hypothèses sur le coefficient d'adhérence \(\mu\)

\(\mu\) ne dépend pas…\(\mu\) dépend essentiellement…
de l'intensité de la force élémentaire de pression ; de l'étendue de la surface de contactde la nature des matériaux en contact ; de la présence ou non de lubrifiant (et aussi de l'état de rugosité, de la température…)

Ordres de grandeur de \(f\) ou \(\mu\) :

Matériaux en contactSurfaces sèchesSurfaces lubrifiées
Téflon / Acier0,04—
Acier / Bronze0,100,09
Acier / Acier0,15
Bronze / Bronze0,2
Acier / Fonte0,160,08 à 0,04
Fonte / Bronze0,200,08 à 0,04
Nylon / Acier0,350,12
Bois / Bois0,4 à 0,20,16 à 0,04
Pneu / Route0,60,30 à 0,10

1.4 Phénomène d'arc-boutement

Définition On appelle arc-boutement un phénomène issu de l'adhérence pour lequel un équilibre subsiste indépendamment de l'intensité de l'effort qui tend à le rompre. Exemple : sur un meuble à étagère réglable, l'arc-boutement solidarise l'étagère mobile à la colonne fixe (voir l'exercice C pour la condition).

1.5 Phénomènes de roulement et de pivotement

Le raisonnement du glissement s'applique par analogie au roulement et au pivotement : une résistance au roulement (resp. pivotement) est modélisée par un moment de résistance, qui s'oppose au roulement (resp. pivotement) ou à sa tendance. Soit \(A\) un point de contact entre (1) et (2), torseur de (1) sur (2) en \(A\) :

PhénomèneTorseur de (1) sur (2)Condition
Glissement (Coulomb)\(\{\vec N_{1\to2}+\vec T_{1\to2};\ \vec0\}_A\)\(\|\vec T_{1\to2}\|\le\mu\|\vec N_{1\to2}\|\), \(\mu\) sans dimension ; \(\vec T\) s'oppose au glissement (ou à sa tendance)
Pivotement\(\{\vec N_{1\to2};\ \vec M^p_{A,1\to2}\}_A\)\(\|\vec M^p_{A,1\to2}\|\le\delta\|\vec N_{1\to2}\|\), \(\delta\) paramètre de résistance au pivotement (en m) ; \(\vec M^p\) s'oppose au pivotement
Roulement\(\{\vec N_{1\to2};\ \vec M^r_{A,1\to2}\}_A\)\(\|\vec M^r_{A,1\to2}\|\le\eta\|\vec N_{1\to2}\|\), \(\eta\) paramètre de résistance au roulement (en m) ; \(\vec M^r\) s'oppose au roulement
Cas général\(\{\vec N_{1\to2}+\vec T_{1\to2};\ \vec M^p_{A,1\to2}+\vec M^r_{A,1\to2}\}_A\)combinaison de tous les mouvements ou tendances aux mouvements ; toujours les relations pour \(\vec T,\vec M^p,\vec M^r\) en fonction de \(\vec N\)

N.B. tous ces vecteurs sont obtenus par projection sur la normale et sur le plan tangent commun en \(A\) à (1) et (2). Les paramètres \(\delta\) et \(\eta\) ont la dimension d'une longueur (car moment ÷ force).

1.6 Modèle local et modèle global d'une action mécanique

1.6.1 Modèle local des actions à distance et de contact

Les actions locales modélisent finement les actions à distance et de contact (cette modélisation est aussi nécessaire pour la prise en compte des résistances au glissement) par des champs de forces volumiques ou surfaciques.

Actions locales • Action à distance locale de (1) sur (2) sur le volume élémentaire \(dV\) centré en \(Q\) : force élémentaire \(d\vec F_{1\to2}(Q)=\vec q(Q)\,dV\), passant par \(Q\).
• Action de contact locale de (1) sur (2) sur la surface élémentaire \(dS\) centrée en \(Q\) : \(d\vec F_{1\to2}(Q)=\vec q(Q)\,dS\), passant par \(Q\).
• Torseur d'action locale : \(\{d\mathcal T_{1\to2}\}(Q)=\{d\vec F_{1\to2}(Q);\vec0\}_Q\).
Nature de l'élémentÉlémentDensité de l'action \(\vec q\)\(d\vec F_{1\to2}(Q)\)
Ligne\(dl\) (\(dx\), \(dy\), \(r\,d\theta\))linéique, en N·m⁻¹\(\vec q\,dl\)
Surface\(dS\) (\(dx\,dy\), \(r\,d\theta\,dr\))surfacique, en N·m⁻² (= Pa)\(\vec q\,dS\)
Volume\(dV\)volumique, en N·m⁻³\(\vec q\,dV\)

L'ensemble des forces élémentaires sur l'ensemble des éléments concernés définit un champ de forces associé à l'action mécanique.

1.6.2 Du modèle local au modèle global

Principe Le modèle global d'une action mécanique est l'action équivalente à l'ensemble des actions locales : son torseur est la somme des torseurs des actions locales : \[\{\mathcal T_{1\to2}\}=\int\{d\mathcal T_{1\to2}\}(Q),\qquad \vec R_{1\to2}=\int d\vec F_{1\to2}(Q)\ (\text{N}),\qquad \vec M_{A,1\to2}=\int\vec{AQ}\wedge d\vec F_{1\to2}(Q)\ (\text{N·m}),\] les moments étant sommés en un même point (ici \(A\)).

1.6.3 Cas de la pesanteur

Si un solide est supposé homogène, sa masse volumique est constante : \(\rho(Q)=\rho\) pour tout \(Q\) du solide. Ordres de grandeur : acier \(\rho=7800\) kg·m⁻³ ; aluminium \(2700\) kg·m⁻³ ; PVC \(\approx1400\) kg·m⁻³.

Point de vue local : la pesanteur est une action mécanique à distance, le champ de force est \(\ \forall Q\in1,\ d\vec F_{pes\to1}(Q)=dm\,\vec g=\rho\,dV\,\vec g\).

Point de vue global : les forces locales sont de résultantes parallèles à \(\vec g\), donc le torseur global est nécessairement une force orientée selon \(\vec g\) : le poids. La résultante : \[\vec R_{pes\to1}=\int_{V_1}\rho\,dV\,\vec g=\rho\vec g\int_{V_1}dV=\rho\,\vec g\,V_1=m_1\vec g\qquad(V_1:\text{volume},\ m_1:\text{masse}).\] Soit \(G_1\) le centre de gravité de (1) : par définition, c'est le barycentre des masses : \(\displaystyle\int_{V_1}\vec{G_1Q}\,dm=\vec0\). Alors \[\vec M_{G_1,pes\to1}=\int_{V_1}\vec{G_1Q}\wedge d\vec F_{pes\to1}(Q)=\int_{V_1}\vec{G_1Q}\wedge(\vec g\,dm)=\underbrace{\Big(\int_{V_1}\vec{G_1Q}\,dm\Big)}_{=\vec0\ \text{par déf. de }G_1}\wedge\vec g=\vec0.\]

Résultat L'action de la pesanteur sur un solide (1) est une force (un glisseur) passant par le centre de gravité \(G_1\) : \[\boxed{\{\mathcal T_{pes\to1}\}=\{m_1\vec g;\ \vec 0\}_{G_1}}\]
Calcul du centre de gravité Solide homogène : \(m_1=\rho V_1\) et \(\rho(Q)=\rho\), donc \(\ \vec{OG_1}=\dfrac1{V_1}\displaystyle\int_{V_1}\vec{OQ}\,dV\). Pour des solides dont certaines dimensions sont négligeables (plaques, tiges), on utilise un élément \(dS\) ou \(dl\) à la place de \(dV\) et une masse surfacique ou linéique à la place de \(\rho\). Le centre de gravité est toujours situé sur les éléments de symétrie du solide : point, plan, droite…

1.6.4 Point de vue local des actions de contact avec adhérence ou frottement

Action de contact locale En tout point \(P\) de la surface de contact : \(\ \{d\mathcal T_{1\to2}\}(P)=\{d\vec R_{1\to2}(P)=d\vec N_{1\to2}(P)+d\vec T_{1\to2}(P);\ \vec0\}_P\), avec
• \(d\vec N_{1\to2}(P)=-p(P)\,dS\,\vec n_{21}(P)\) : composante normale locale (\(p(P)\) : pression en \(P\), \(\vec n_{21}(P)\) : normale sortante à \(S_2\)) ;
• \(d\vec T_{1\to2}(P)\) : composante tangentielle locale (dans le plan tangent commun en \(P\)).
La loi de Coulomb s'applique aux actions locales : \(\ \|d\vec T_{1\to2}\|\le\mu\|d\vec N_{1\to2}\|\Rightarrow\|d\vec T_{1\to2}\|\le\mu\,p\,dS\) en adhérence ; \(\ \|d\vec T_{1\to2}\|=\mu\,p\,dS\) en glissement, avec \(\vec t(P)=\dfrac{\vec V_{P\in2/1}}{\|\vec V_{P\in2/1}\|}\) et \(d\vec T_{1\to2}(P)=-\mu\,p(P)\,dS\,\vec t(P)\).
À la limite de glissement (contact surfacique) Même démarche que pour l'action ponctuelle, avec une hypothèse sur le champ de pression et la détermination de l'action globale :
1. Supposer un mouvement de 2/1 en cas de rupture d'adhérence, en définissant un torseur cinématique \(\{\mathcal V_{2/1}\}\) ;
2. En déduire la direction de la composante tangentielle en tout point de la surface : \(\vec t(P)=\vec V_{P\in2/1}/\|\vec V_{P\in2/1}\|\) ;
3. Appliquer Coulomb à l'action locale : \(\ \{d\mathcal T_{1\to2}\}(P)=\{(\vec n_{21}(P)-\mu\,\vec t(P))\,p(P)\,dS;\ \vec0\}_P\) ;
4. Déterminer l'action globale par intégration avec une hypothèse sur le champ de pression ;
5. Vérifier l'équilibre de \(S_2\) (PFS) : cela valide l'hypothèse cinématique et l'hypothèse sur le champ de pression.

2. Exercices d'entraînement (créés) avec corrections

Seul le CM de C14 a été fourni (pas de TD) : exercices créés à partir du cours.

Exercice A — Colis tiré sur un plan horizontal♦◊◊
Colis de masse \(m=20\) kg sur un sol horizontal, coefficient d'adhérence \(\mu=0{,}4\) (bois / bois sec), \(g=9{,}81\) m/s². On le tire horizontalement avec \(F\) passant par \(G\).

Cadre. Équilibre vertical : \(N=mg\). Loi de Coulomb : \(T\le\mu N\).

Q1 — Effort limite

\(N=mg=20\times9{,}81=196{,}2\) N ; \(T_{lim}=\mu N=0{,}4\times196{,}2=78{,}5\) N.

Le colis glisse dès que \(F>78{,}5\) N.

Q2 — \(F=50\) N

\(F<T_{lim}\) : équilibre horizontal \(T=F\) (la composante tangentielle s'oppose à \(F\)). Adhérence : \(T=50\) N (et non \(78{,}5\) N).

Q3 — \(F=100\) N

\(F>T_{lim}\) : glissement, \(T=\mu N=78{,}5\) N (opposée au mouvement). PFS horizontal : \(ma=F-T\Rightarrow a=\dfrac{100-78{,}5}{20}=1{,}08\) m/s².

\(T=50\) N (adhérence) ; \(T=78{,}5\) N et \(a\approx1{,}08\) m/s² (glissement)

Exercice B — Plan incliné et angle d'adhérence limite♦♦◊
Solide de masse \(m=10\) kg sur un plan incliné d'angle \(\theta\) par rapport à l'horizontale, \(\mu=0{,}3\).

Q1 — Condition d'équilibre

Base liée au plan : \(\vec x\) le long de la pente (vers le bas), \(\vec y\) normale. PFS à l'équilibre : sur \(\vec y\) : \(N=mg\cos\theta\) ; sur \(\vec x\) : \(T=mg\sin\theta\) (\(T\) dirigée vers le haut). Donc \(\dfrac TN=\tan\theta\). Coulomb : \(\tan\theta\le\mu\), soit \(\theta\le\varphi_{lim}=\arctan\mu\).

\(\varphi_{lim}=\arctan0{,}3=16{,}7^\circ\) — la condition ne dépend pas de la masse : c'est la définition du cône d'adhérence (\(\vec R=-m\vec g\) est verticale et doit rester dans le cône d'axe la normale).

Q2 — \(\theta=15^\circ\)

\(\tan15^\circ=0{,}268<0{,}3\) : adhérence. \(N=98{,}1\times\cos15^\circ=94{,}76\) N ; \(T=98{,}1\times\sin15^\circ=25{,}39\) N \(<\mu N=28{,}43\) N ✔.

Q3 — \(\theta=20^\circ\)

\(\tan20^\circ=0{,}364>0{,}3\) : glissement. \(N=98{,}1\times\cos20^\circ=92{,}19\) N ; \(T=\mu N=27{,}66\) N. Accélération : \(a=g(\sin\theta-\mu\cos\theta)=9{,}81\times(0{,}3420-0{,}2819)=0{,}59\) m/s².

\(\theta=15^\circ\) : adhérence, \(T=25{,}4\) N ; \(\theta=20^\circ\) : glissement, \(T=27{,}7\) N, \(a=0{,}59\) m/s²

Exercice C — Arc-boutement d'une étagère sur une colonne♦♦♦
Un manchon (étagère) de hauteur de guidage \(h\) coulisse sur une colonne verticale. Une charge \(P\) (poids) est appliquée à une distance horizontale \(d\) de la colonne. Le manchon touche la colonne en deux points : \(A\) (haut, d'un côté) et \(B\) (bas, de l'autre côté). Coefficient d'adhérence \(\mu\) en \(A\) et \(B\). On néglige le poids du manchon et le diamètre de la colonne devant \(d\).

Cadre. En \(A\) et \(B\) : action = composante normale horizontale \(N_A,N_B\) + composante tangentielle verticale \(T_A,T_B\) (vers le haut, car la tendance est de glisser vers le bas). Problème plan, 3 équations.

Q1 — Équations d'équilibre

Résultante horizontale : \(N_A=N_B=N\). Résultante verticale : \(T_A+T_B=P\). Moment en \(B\) (on néglige le diamètre de la colonne) : \(P\,d=N\,h\Rightarrow N=\dfrac{P\,d}{h}\).

Q2 — Condition d'adhérence

\(T_A\le\mu N\) et \(T_B\le\mu N\) donc \(P=T_A+T_B\le2\mu N=2\mu\dfrac{P\,d}{h}\). On simplifie par \(P>0\) :

\[1\le\frac{2\mu d}{h}\quad\Longleftrightarrow\quad\boxed{d\ge\frac{h}{2\mu}}\] La condition ne dépend pas de \(P\) : si elle est satisfaite, l'étagère tient quelle que soit la charge — c'est l'arc-boutement.

Q3 — Application numérique

\(h=3\) cm, \(\mu=0{,}15\) (acier/acier sec) : \(d\ge\dfrac{3}{2\times0{,}15}=10\) cm. Pour une charge plus près de la colonne (\(d<10\) cm), l'étagère glisse. Lubrifier (\(\mu\) plus petit) augmente la distance minimale ; augmenter \(h\) aussi.

PiègeLire l'inégalité dans le bon sens : on cherche la condition pour que l'équilibre subsiste (\(T\le\mu N\)) ; le résultat est une borne inférieure sur \(d\) (bras de levier assez grand pour que les \(N\) soient grands).
Exercice D — Cône d'adhérence♦◊◊
Un contact transmet \(N=500\) N et \(T=150\) N. \(\mu=0{,}35\).

Angle de la résultante : \(\tan\varphi=\dfrac TN=0{,}30\Rightarrow\varphi=16{,}7^\circ\). Angle limite : \(\varphi_{lim}=\arctan0{,}35=19{,}3^\circ\).

\(\varphi=16{,}7^\circ<\varphi_{lim}=19{,}3^\circ\) : \(\vec R\) est dans le cône ⟹ adhérence. Marge : \(T_{lim}=\mu N=175\) N, il reste 25 N avant le glissement.

Exercice E — Centre de gravité et poids d'un demi-disque♦♦◊
Plaque homogène en acier, en forme de demi-disque de rayon \(R=50\) mm, épaisseur \(e=5\) mm, \(\rho=7800\) kg/m³. Axe de symétrie \((O,\vec y)\), \(O\) centre du diamètre. Trouver \(G\) et le poids.

Q1 — Position de \(G\)

\(G\) est sur l'axe de symétrie : \(x_G=0\). Plaque mince : élément de surface en polaires, \(dS=r\,dr\,d\theta\), \(y=r\sin\theta\), \(\theta\in[0,\pi]\), \(r\in[0,R]\). Aire \(S=\dfrac{\pi R^2}{2}\). \[y_G=\frac1S\iint y\,dS=\frac1S\int_0^\pi\sin\theta\,d\theta\int_0^R r^2\,dr=\frac1S\times2\times\frac{R^3}{3}=\frac{2R^3/3}{\pi R^2/2}=\frac{4R}{3\pi}.\]

\(y_G=\dfrac{4R}{3\pi}=\dfrac{4\times50}{3\pi}=21{,}2\) mm

Q2 — Poids

\(S=\dfrac{\pi\times0{,}05^2}{2}=3{,}927\cdot10^{-3}\) m² ; \(V=S\,e=1{,}963\cdot10^{-5}\) m³ ; \(m=\rho V=7800\times1{,}963\cdot10^{-5}=0{,}153\) kg ; \(P=mg=0{,}153\times9{,}81=1{,}50\) N.

\(\{\mathcal T_{pes\to1}\}=\{-1{,}50\,\vec y;\vec0\}_G\) (si \(\vec y\) vertical ascendant), \(G\) à \(21{,}2\) mm de \(O\) sur l'axe de symétrie.

Exercice F — Du local au global : pression hydrostatique sur une paroi♦♦◊
Paroi plane verticale rectangulaire de largeur \(b=2\) m et de hauteur immergée \(h=3\) m. La pression relative à la profondeur \(y\) (depuis la surface) est \(p(y)=\rho_e\,g\,y\) avec \(\rho_e=1000\) kg/m³. Calculer la force résultante de l'eau et sa position.

Local : sur une bande horizontale \(dS=b\,dy\) à la profondeur \(y\), \(d\vec F=-p(y)\,dS\,\vec n\) de norme \(dF=\rho_e g\,y\,b\,dy\), perpendiculaire à la paroi.

Q1 — Résultante (global)

\(F=\displaystyle\int_0^h\rho_eg\,b\,y\,dy=\rho_eg\,b\,\frac{h^2}{2}=1000\times9{,}81\times2\times\frac{9}{2}\).

\(F=88\,290\) N \(\approx88\) kN

Q2 — Point d'application (profondeur du centre de poussée)

Les forces élémentaires sont parallèles ⟹ le torseur global est une force. Moment par rapport à la surface libre : \(F\,y_c=\displaystyle\int_0^h y\,dF=\rho_eg\,b\frac{h^3}{3}\Rightarrow y_c=\dfrac{h^3/3}{h^2/2}=\dfrac{2h}{3}\).

\(y_c=\dfrac{2h}{3}=2\) m sous la surface (soit \(1\) m au-dessus du fond) : plus bas que le centre géométrique (1,5 m) car la pression augmente avec la profondeur. Moment sur la base : \(F\times1=88\,290\) N·m.

PiègePour une pression uniforme la force passe par le centre géométrique de la surface (\(F=-pS\vec n\)) ; pour une pression non uniforme le point d'application se calcule par intégration des moments.
Exercice G — Résistance au roulement d'une roue♦◊◊
Roue de rayon \(R=0{,}25\) m portant une charge totale \(N=500\) N, roulant à vitesse constante sur un sol horizontal. Paramètre de résistance au roulement \(\eta=2\) mm. Roulement sans glissement.

Q1 — Moment de résistance au roulement

En mouvement, \(\|\vec M^r\|=\eta\,N=0{,}002\times500=1{,}0\) N·m (opposé au roulement).

Q2 — Force motrice horizontale pour maintenir la vitesse

Équilibre des moments au centre de la roue en régime permanent (vitesse constante) : \(F\,R=\eta N\Rightarrow F=\dfrac{\eta N}{R}=\dfrac{1{,}0}{0{,}25}\).

\(F=4\) N (soit \(F/N=\eta/R=0{,}8\%\)) — très inférieur à la force pour glisser (\(\mu N\approx75\) N pour \(\mu=0{,}15\)) : c'est pourquoi on utilise des roues.

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