Physique · 3ème MathThème 2 : Mécanique du solide · Chapitre 3

Solide en mouvement de rotation autour d'un axe fixe

Objectifs

À la fin de ce chapitre, vous saurez :
• repérer un point en mouvement circulaire par son abscisse angulaire ;
• définir la vitesse angulaire et l'accélération angulaire ;
• distinguer un mouvement circulaire uniforme d'un mouvement circulaire uniformément varié ;
• établir la relation θ'22 - θ'12 = 2 θ'' (θ2 - θ1) ;
• relier la force et l'accélération angulaire d'un point en rotation.
• décrire le mouvement d'un solide en rotation autour d'un axe fixe ;
• définir le moment d'inertie d'un solide ;
• appliquer la relation fondamentale de la dynamique de rotation MΔ = JΔ.θ'' ;
• reconnaître expérimentalement la nature du mouvement de rotation d'un solide.

Situation

Plateau d'un manège, roues, pales d'un ventilateur ou d'une éolienne, tourbillon d'une baignoire qui se vide : la rotation est partout. Comment décrire le mouvement d'un point qui tourne ?

I. Mouvement circulaire d'un point matériel

1. Cinématique du mouvement circulaire

1. Repérer un point sur un cercle

Animation

Un point M décrit un cercle de centre O et de rayon R. On choisit une origine A sur le cercle, un axe (Ox) passant par A et un sens positif. On repère M :

  • par son abscisse curviligne s, mesure algébrique de l'arc AM (en m) ;
  • par son abscisse angulaire θ = (Ox, OM) (en rad).

© Mohamed — mimba-educ.com | MB-D6223119xMAOθs© Mohamed — mimba-educ.com
Fig. 1 : repérage d'un point sur un cercle

s = R.θ

2. Vitesse et accélération angulaires

Animation

En dérivant s = R.θ :

  • vitesse angulaire : θ' = dθdt (rad.s-1), et la vitesse linéaire vaut v = R.θ' ;
  • accélération angulaire : θ'' = d2θdt2 (rad.s-2).

Dans la base de Frenet (M, T→, N→) : a→ = at.T→ + an.N→ avec at = R.θ'' et an = v2R = R.θ'2

© Mohamed — mimba-educ.com | MB-D6223119MTNacentre de courbure© Mohamed — mimba-educ.com
Fig. 2 : composantes tangentielle et normale

À retenir

Mouvement circulaire uniforme : θ' constante, θ'' = 0 ; θ = θ'.t + θ0. L'accélération est normale (centripète), de valeur constante R.θ'2. La période T est la durée d'un tour, la fréquence N = 1/T le nombre de tours par seconde, et θ' = 2πN.

Comparaison

Mouvement rectiligne uniformeMouvement circulaire uniforme
a = 0θ'' = 0 (accélération centripète R.θ'2)
v = constanteθ' = constante
x = v.t + x0θ = θ'.t + θ0

3. Mouvement circulaire uniformément varié

Animation

Un point a un mouvement circulaire uniformément varié si sa trajectoire est un cercle et son accélération angulaire θ'' est constante. En intégrant :

θ' = θ''.t + θ'0 ; θ = 12θ''.t2 + θ'0.t + θ0

  • Mouvement accéléré : |θ'| augmente, θ'2 croît, donc θ''.θ' > 0.
  • Mouvement retardé : θ''.θ' < 0. Si le mobile rebrousse chemin, θ' s'annule à cet instant.

En éliminant le temps entre les deux lois (comme pour le mouvement rectiligne) :

θ'22 - θ'12 = 2 θ''.(θ2 - θ1)

Remarque

On retrouve les lois du mouvement rectiligne uniformément varié, en remplaçant x, v, a par θ, θ', θ''.

2. Dynamique

1. Dynamique du point en rotation

Animation

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