Systèmes Des Forces Concourantes 2.1. Point Matériel Libre Et Soumis Aux Liaisons
Systèmes Des Forces Concourantes 2.1. Point Matériel Libre Et Soumis Aux Liaisons
Systèmes Des Forces Concourantes 2.1. Point Matériel Libre Et Soumis Aux Liaisons
F2
R = F1 + F2
γ F2 R = F1 + F2
γ
F2′
α β β α
O A1 O A1
F1 F1
a b
Fig. 2.1.
Le module de la résultante a l'expression :
R = F12 + F22 + 2 F1F2 cosα (2.2)
y y y
F F F
Y β Y
α=π/2
Y
α
M X>0 x M M
x x
X= F ⋅ cos α X=0 X<0
a b c
Fig. 2.4.
Les composantes sont représentées sur la figure 2.5 et le module de la force
s'écrit F = X 2 + Y 2 . En général, si le problème a trois dimensions, on
utilise le système cartésien tridimensionnel droit Oxyz, dont les verseurs pour les
axes Ox, Oy, Oz sont i , j , k et une force quelconque aura trois projections : X,
Y, Z.
α x
X =X·i
Fn = X in + Y jn + Z kn
En composant les forces données, la résultante a Fig. 2.5.
l'expression suivante :
n n n
R = ∑ X i i + ∑ Yi j + ∑ Zi k
i =1 i =1 i =1
Ce problème revient à construire le triangle des forces. Les cas suivants sont
présentés, en connaissant :
a) Les deux directions données ∆1 et ∆2.
∆2
B
F2 R C F2 R B
O O
F1 A ∆1
F1
Fig. 2.6. Fig. 2.7. A
B F1 '
F1 A1 A1’
F2 F1
R O
A R B
O
F2 ' F2
F1 ' F2 ' A2
B’
A2’
Fig. 2.8. Fig. 2.9.
F2 . Les points A1 et A'1 nous donnent deux solutions. Les solutions sont
confondues quand l'arc de cercle est tangent à la direction de la force F1 et le
triangle des forces est rectangle. Il n'y a aucune solution quand le module de
F2 est plus petit que la distance du point B à la direction de la force F1 .
On a montré qu'un point matériel soumis aux liaisons est un point soumis aux
restrictions géométriques. Par la suite, le point a un nombre plus petit de degrés
de liberté que le point libre. Pour résoudre le problème du point soumis aux
liaisons, on utilise l'axiome des liaisons :
OBSERVATIONS:
• Les liaisons sont considérées ponctuelles dans ce cours ;
• L'énoncé est valable pour le corps quand les éléments mécaniques sont
des forces et des moments des liaisons (voire le chapitre 5) ;
• Si on considère le point matériel, la liaison est remplacée par une force de
liaison (réaction) ;
OBSERVATION
Si nous sommes intéressés seulement par la position d'équilibre, nous
pouvons éliminer le paramètre λ des relations (2.16), (2.18) et (2.21). On
obtient :
Exemple 2.1 :
Un corps de poids G est posé sur un plan incliné lisse. Une force horizontale
F agit sur le corps. Déterminer l'angle α pour lequel le corps reste en repos (fig.
2.11, a).
y
N
α
F F
G x
α α G
a b
Fig. 2.11.
Solution : En appliquant l'axiome des liaisons, le schéma des forces est
représenté sur la figure 2.11, b. Menons les axes des coordonnées et calculons
les projections de toute les forces :
⎧− F cosα + G sin α = 0
⎨
⎩ N − F sin α − G cosα = 0
Dans ce cas, on obtient :
F G
tgα = , N=
G cosα
Exemple 2.2 : Trouver la position de repos d'un point pesant situé sur une
sphère lisse de rayon R. Le point est suspendu par un ressort parfait (constante
élastique k) du point A, le plus haut de la sphère.
Éléments de réponse :
2.5.4. Les équations d'équilibre pour un point sur une courbe lisse
Remarques :
• Le signe moins signifie que le vecteur force est de sens opposé à la vitesse.
Ce type de frottement visqueux agit lorsqu'un corps se déplace dans un fluide
(gaz ou liquide) ou dans le cas de deux surfaces lubrifiées.
• Le frottement visqueux se manifeste qu'en état de mouvement et donc ce type
du frottement sera présenté dans les problèmes de la dynamique.
• Les relations ci-dessus sont des lois générales établies expérimentalement et
qui reflètent avec une précision suffisante les particularités principales du
phénomène de frottement.
Les premières expériences sur le frottement de glissement ont été faites par
Coulomb en 1781 et les résultats ont été publiés en 1785. Au cours de ses
expériences sur le frottement de glissement, Coulomb a distingué deux cas :
- Frottement à l'état de repos (ou frottement statique) et, en
particulier, le frottement au départ ;
- Frottement à l'état de mouvement.
Donc, l'expérience montre que la force nécessaire pour vaincre le frottement
à sec et mettre le corps en mouvement est supérieure à celle nécessaire à
maintenir un mouvement uniforme. On admet que le coefficient de frottement
pendant le mouvement (µ d) reste indépendant de la vitesse représenté par une
droite BC, parallèle à l'axe des abscisses (fig. 2.12). Le point A dans cette figure
donne le coefficient de frottement au repos ou de départ (µ s). En réalité, les
surfaces sont rugueuses et le coefficient de frottement dépend de la vitesse et
diminue lorsque la vitesse augmente (la courbe AD de la figure 2.12).
Dans le cas de frottement visqueux,
on peut admettre que la force de µ
frottement est proportionnelle à la fois à E
A C
la viscosité du lubrifiant et à la vitesse.
Le coefficient de frottement est
B
D
représenté sur la figure 2.12, en fonction
de la vitesse par la ligne droite OE. O v
Fig. 3.12.
G
ϕ0
Fig. 2.13.
En considérant la condition d'équilibre au long du plan, la force de frottement est
égale à
Tmax = G sin ϕ 0 . (2.26)
L'équation de projection des forces sur la direction de la normale du plan nous
donne la réaction normale
N = G cos ϕ 0 . (2.27)
Définitions :
3. Le coefficient µ s est égal à la tangente de l'angle pour lequel
commence le glissement sur le plan incliné.
4. L'angle maximum ϕ0 que la réaction forme avec la normale à la surface
est appelé angle de frottement.
Les coefficients de frottement (µ s) pour quelques surfaces en contact sèches et
lisses sont :
acier sur acier 0,15
acier sur brique ou pierre 0,40
acier sur glace 0,027
métal sur chêne (le long de la fibre) 0,60
chêne sur chêne 0,50 à 0,60
brique sur brique 0,50 à 0,70.
brique sur béton 0,75
brique ou béton sur terre ferme 0,65
cuir sur chêne 0,60
Il faut noter que le frottement joue un rôle fondamental dans la transmission du
mouvement d'un corps à l'autre.
Observation:
π/2–ϕ
N
T
M
C
Γ
Rd
Fig. 2.16.