Physique · 2ème ScThème 2 : Forces, mouvements, pression · Chapitre 3

Équilibre d'un solide mobile autour d'un axe fixe

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• reconnaître un solide mobile autour d'un axe fixe ;
• calculer le moment d'une force orthogonale à un axe, à l'aide du bras de levier ;
• calculer le moment d'un couple de forces ;
• appliquer le théorème des moments ;
• expliquer le fonctionnement de quelques machines simples : levier, poulie, treuil, balance.
Prérequis : représentation d'une force, bilan des forces, équilibre d'un solide soumis à trois forces.

Situation de départ

Pour changer une roue, un automobiliste n'arrive pas à desserrer un écrou avec la petite clé du coffre. Il glisse un tube métallique sur le manche pour le rallonger, appuie avec la même force... et l'écrou cède.
Pourquoi une clé plus longue est-elle plus efficace ? Et pourquoi les poignées de porte sont-elles toujours placées loin des gonds ?

I. Solide mobile autour d'un axe fixe

Quand une porte s'ouvre, chacun de ses points décrit un arc de cercle ; seuls les points situés sur la droite qui passe par les gonds restent immobiles. Cette droite (Δ) est l'axe de rotation : tous les points de la porte décrivent des cercles centrés sur l'axe, dans des plans perpendiculaires à l'axe.
De même, une roue de vélo (par rapport au cadre), une poulie, une aiguille de montre, une balançoire sont des solides mobiles autour d'un axe fixe.

II. Effet de rotation d'une force

On essaie d'ouvrir une porte en tirant sur une ficelle accrochée à la poignée, dans différentes directions :

Ce que l'on observe

Force exercée sur la porteLa porte tourne-t-elle ?
parallèle à l'axe (vers le haut ou vers le bas)non : effet de rotation nul
dont la droite d'action rencontre l'axenon : on risque seulement d'arracher les gonds
orthogonale à l'axe, sans le rencontreroui

Dans la suite, on ne considère que des forces orthogonales à l'axe (contenues dans un plan perpendiculaire à l'axe). Pour une même force, l'effet de rotation est d'autant plus grand que sa droite d'action est loin de l'axe : c'est pourquoi la poignée est loin des gonds.

III. Moment d'une force par rapport à un axe

1. Définition

On ramène toujours un solide mobile autour d'un axe dans la même position d'équilibre, avec des forces appliquées à différentes distances : la valeur F nécessaire diminue quand la distance d augmente, et le produit F.d reste constant. Ce produit mesure l'effet de rotation de la force.

Animation
À retenir

Le moment d'une force F orthogonale à un axe (Δ), par rapport à cet axe, est :

MΔ(F) = ± F.d
F en newtons (N), d en mètres (m), M en newtons-mètres (N.m). Le bras de levier d est la distance entre l'axe et la droite d'action de la force.

© Mohamed — mimba-educ.com | MB-95D27E4BBRAS DE LEVIEROHdFAd = OH, distance de l'axe à la droite d'action© Mohamed — mimba-educ.com
Fig. 1 — Le bras de levier d = OH est mesuré perpendiculairement à la droite d'action de F ; il est plus petit que OA.

2. Un moment est algébrique

Une force peut faire tourner le solide dans un sens ou dans l'autre. On choisit un sens positif de rotation : le moment est positif si la force tend à faire tourner le solide dans ce sens, négatif sinon. Une force dont la droite d'action rencontre l'axe (réaction de l'axe, poids d'un solide dont le centre d'inertie est sur l'axe) a un moment nul.

Exemple

On pousse perpendiculairement à 25 cm de l'écrou avec F = 40 N : M = 40 × 0,25 = 10 N.m. Avec la clé rallongée à 50 cm, la même force donne 20 N.m : c'est la réponse à la situation de départ. Si l'on pousse à 50 cm mais en faisant un angle de 30° avec le manche, d = 0,50 × sin 30° = 0,25 m et M = 10 N.m seulement.

Attention

Le bras de levier n'est la distance OA entre l'axe et le point d'application que si la force est perpendiculaire à OA. Dans les autres cas, d = OA.sin θ, où θ est l'angle entre la force et OA.

IV. Couple de forces

Pour tourner un volant, un tournevis ou un robinet, on exerce deux forces avec les deux mains ou deux doigts. Un couple de forces est un ensemble de deux forces :
• de droites d'action parallèles et distinctes ;
• de sens contraires ;
• de même valeur F.
Leur somme vectorielle est nulle : le couple ne déplace pas le solide, il le fait tourner.

© Mohamed — mimba-educ.com | MB-95D27E4BCOUPLE DE FORCESOF1F2d© Mohamed — mimba-educ.com
Fig. 2 — Les deux mains exercent sur le volant un couple : F1 et F2 sont opposées et leurs droites d'action sont distantes de d.

À retenir

Le moment d'un couple de forces par rapport à un axe perpendiculaire à son plan est :

M(C) = ± F.d
où d est la distance entre les deux droites d'action. Il ne dépend pas de la position de l'axe.

Exemple

Un conducteur tient un volant de 36 cm de diamètre et exerce de chaque côté une force de 20 N tangente au volant : M = 20 × 0,36 = 7,2 N.m.

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