Leçon N°7 :
Équilibre d’un corps solide susceptible de tourner autour d’un axe fixe
Situation problème
Lorsque nous roulons à vélo, nous appliquons une force sur la pédale qui fait tourner le plateau autour d’un axe de rotation, afin de faire avancer le vélo.
I.L’effet d’une force sur la rotation d’un corps solide
Le schéma ci-contre représente une porte susceptible de tourner autour d’un axe fixe (Δ). On fait appliquer 3 forces F⃗1, F⃗2 et F⃗3 comme l’indique le schéma.
II.Moment d’une force par rapport à un axe fixe (Δ)
La relation entre l’intensité F d’une force et la distance d est le produit (F·d), c’est une grandeur physique qui exprime la capacité de la force F⃗ à faire tourner un corps autour d’un axe (Δ). Il s’appelle le moment de la force F⃗, et il est noté MΔ(F⃗).
1. Définition
Le moment d’une force F⃗ par rapport à un axe fixe (Δ) est défini par la relation :
Son unité dans le (S.I) est N·m.
Remarque : La distance d est la plus courte distance séparant la ligne d’action de la force F⃗ et l’axe de rotation (Δ), c’est la distance dont la droite est perpendiculaire à la ligne d’action de cette force.
2. Le moment d’une force est une grandeur algébrique
On choisit aléatoirement un sens positif (+) de rotation :
⇒ On dit que le moment d’une force est une grandeur algébrique : MΔ(F⃗) = ± F·d
Un jardinier utilise sa brouette pour transporter du terreau de masse m = 60 kg. Le châssis de la brouette peut tourner autour de l’axe (Δ) de la roue. Le jardinier exerce une force F⃗ verticale, dirigée vers le haut d’intensité 300 N appliquée au point M. On donne g = 10 N·kg−1.
- Faire l’inventaire des forces appliquées sur la brouette, et les représenter.
- Choisir un sens positif (+) de rotation de la brouette, et calculer les moments de ces forces.
III.Moment d’un couple de deux forces
1. Définition d’un couple de deux forces
Deux forces F⃗1 et F⃗2 forment un couple de deux forces si leur somme vectorielle est nulle F⃗1 + F⃗2 = 0⃗ (elles ont la même intensité et des sens opposés), et leurs lignes d’action sont parallèles et distinctes.
Exemple : Le chauffeur applique un couple de deux forces sur le volant pour faire un demi-tour.
2. Moment d’un couple de deux forces
Le moment du couple de deux forces (F⃗1, F⃗2) est : MΔ(F⃗1, F⃗2) = MΔ(F⃗1) + MΔ(F⃗2) = ± F1·d1 ± F2·d2
Puisque F1 = F2 = F et d1 + d2 = d, donc : MΔ(F⃗1, F⃗2) = ± F·d
IV.Équilibre d’un corps solide susceptible de tourner autour d’un axe fixe
1. Expérience
Le dispositif suivant est constitué d’une plaque mobile autour d’un axe horizontal (Δ). On fixe à la plaque au point A un lest de masse m1 et au point B un dynamomètre permettant de ramener la plaque à l’équilibre. On donne : m = … g, F1 = … N, d1 = … cm, d2 = … cm, g = 10 N·kg−1
C/C : la plaque est en équilibre ⇔ Σ MΔ(F⃗ext) = 0
2. Théorème des moments
Lorsqu’un corps solide susceptible de tourner autour d’un axe fixe est en équilibre, alors la somme algébrique des moments de toutes les forces qui s’exercent sur lui est nulle :
3. Condition générale d’équilibre
Lorsqu’un corps solide est en équilibre, les deux conditions suivantes doivent être vérifiées :
Un ouvrier utilise un pied de biche de longueur L = 40 cm et de masse m = 500 g pour arracher un clou. Au point M, il exerce une force F⃗p d’intensité 90 N, perpendiculaire au manche du pied de biche ; d’autre part, la tête du clou exerce une force F⃗c sur le pied de biche au point C. Le pied de biche peut tourner autour de l’axe de rotation (Δ). Le manche fait un angle α = 60° avec le sol et le point C est à 6 cm de l’axe.
- Faire l’inventaire des forces appliquées sur le pied de biche, et les représenter.
- Calculer le moment de la force F⃗p et du poids P⃗.
- Donner l’expression du théorème des moments, et calculer l’intensité de la force F⃗c.
V.Moment du couple de torsion
1. Activité
Le schéma ci-dessous représente un dispositif expérimental appelé le pendule de torsion, qui se compose :
Lorsqu’on applique sur la barre un couple de deux forces (F⃗1, F⃗2) par deux fils inextensibles passant par deux poulies, la barre tourne avec l’angle θ, ce qui fait tordre le fil. Dès qu’on supprime l’action du couple sur la barre, celle-ci revient à nouveau à sa position initiale sous l’effet d’un ensemble de forces appelé couple de torsion.
- Faire l’inventaire des forces appliquées sur la barre lorsque le fil n’est pas tordu, et calculer le moment de chaque force.
- Pourquoi la barre est-elle revenue à sa position d’équilibre initiale lorsqu’on supprime le couple de deux forces ?
- Faire l’inventaire des forces appliquées sur la barre lorsque le fil est tordu.
- En utilisant le théorème des moments, déduire la relation qui existe entre Mc le moment du couple de torsion et MΔ(F⃗1, F⃗2) le moment du couple de deux forces (F⃗1, F⃗2).
- On change l’intensité commune F des deux forces (F⃗1, F⃗2), et on mesure à chaque fois la valeur de l’angle de torsion θ. Compléter le tableau :
| F (N) | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| d (m) | |||||
| MΔ(F⃗1, F⃗2) (N·m) | |||||
| θ (degrés) | |||||
| θ (rad) |
- Tracer la variation de MΔ(F⃗1, F⃗2) en fonction de θ (rad), puis trouver l’équation de la courbe obtenue.
- Déduire l’expression du moment du couple de torsion Mc.
2. Conclusion
Lorsqu’un fil est tordu, il applique un ensemble de forces appelé couple de torsion, dont le moment est exprimé par la relation : Mc = −C·θ
Avec : C est une constante positive appelée constante de torsion en (N·m·rad−1) ; θ est l’angle de torsion en (rad).
