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Physique · Classes prépa (CPGE) — 2ème année — MP

Mécanique du solide : Énergétique

Le cours expliqué simplement, les questions que tous les élèves se posent et des exercices type examen national. Programme marocain, gratuit.

📘 Fiche de cours

L'essentiel du cours

L'énergie cinétique d'un solide en mouvement est donnée par : $$E_c = \frac{1}{2} M v_G^2 + \frac{1}{2} \vec{\Omega} \cdot \vec{\sigma}G$$ Pour une rotation autour d'un axe fixe $(\Delta)$ : $E_c = \frac{1}{2} J\Delta \omega^2$. Le théorème de l'énergie cinétique : $\frac{dE_c}{dt} = \sum \mathcal{P}_{ext} = \sum \vec{F}_i \cdot \vec{v}_i + \sum \vec{M}i \cdot \vec{\Omega}$. L'énergie potentielle de pesanteur : $E{pp} = M g z_G + C^{te}$.

Méthodes à maîtriser

  1. Calcul du moment d'inertie : Utiliser le théorème de Huygens si l'axe ne passe pas par le centre de masse : $J_\Delta = J_G + M d^2$.
  2. Bilan énergétique : Identifier toutes les forces (poids, réactions, forces de rappel) et calculer leurs puissances.
  3. Application du théorème : Toujours préciser le référentiel d'étude (galiléen).

Exemples corrigés

  • Rotation d'une tige : Une tige homogène de masse $M$ et longueur $L$ tourne autour d'une extrémité. $J_\Delta = \frac{1}{3}ML^2$. Son énergie cinétique est $E_c = \frac{1}{6}ML^2\dot{\theta}^2$.
  • Roulement sans glissement : $v_G = R\omega$. L'énergie cinétique devient $E_c = \frac{1}{2} M (R\omega)^2 + \frac{1}{2} J_G \omega^2$.

Erreurs fréquentes

  • Oublier le terme de rotation dans l'énergie cinétique d'un solide en mouvement plan.
  • Confondre le travail des forces de frottement (toujours négatif ou nul) avec le travail des forces motrices.
  • Négliger la constante dans l'énergie potentielle lors du calcul de la variation $\Delta E_p$.

🌉 Jisr : les mots du chapitre FR ⇄ AR

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Défi flash : 4 questions

Sans compte

🎯 Mécanique du solide : Énergétique

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Quelle est l'unité du moment d'inertie dans le système international ?

❓ Questions fréquentes

Comment calculer le moment d'inertie d'un solide complexe ?
  1. Décomposer le solide en éléments simples (tiges, disques, sphères).
  2. Calculer le moment d'inertie de chaque élément par rapport à son propre centre de masse.
  3. Appliquer le théorème de Huygens pour ramener chaque moment à l'axe de rotation souhaité.
  4. Sommer les résultats : $J_{total} = \sum J_i$.

💡 À retenir : Le moment d'inertie est une grandeur additive.

Kifach n7seb l'énergie cinétique d'un cylindre li kayder f wa7d l'plan ?
  1. L'énergie cinétique est la somme de l'énergie de translation du centre de masse et de l'énergie de rotation autour de ce centre.
  2. Formule : $E_c = \frac{1}{2} M v_G^2 + \frac{1}{2} J_G \omega^2$.
  3. Si c'est un roulement sans glissement, remplace $v_G$ par $R\omega$.

💡 À retenir : $E_c = \frac{1}{2}(M R^2 + J_G)\omega^2$ pour un roulement sans glissement.

Est-ce que le travail de la réaction d'un axe fixe est toujours nul ?

Oui, car le point d'application de la réaction de l'axe est fixe dans le référentiel du laboratoire, donc sa vitesse est nulle. Par conséquent, la puissance développée par cette force est nulle : $\mathcal{P} = \vec{R} \cdot \vec{v} = 0$.

💡 À retenir : Les liaisons parfaites fixes ne travaillent pas.

Chno hiya l'far9 bin l'moment cinétique o l'énergie cinétique ?
  1. Le moment cinétique $\vec{\sigma}$ est un vecteur qui décrit l'état de rotation.
  2. L'énergie cinétique $E_c$ est un scalaire qui mesure la capacité du système à fournir un travail.
  3. Ils sont liés par la relation $E_c = \frac{1}{2} \vec{\Omega} \cdot \vec{\sigma}$.

💡 À retenir : L'un est vectoriel (direction), l'autre est scalaire (quantité).

Pourquoi utilise-t-on le théorème de l'énergie cinétique au lieu de la dynamique ?
  1. Le théorème de l'énergie cinétique est une équation scalaire, ce qui simplifie les calculs.
  2. Il permet d'ignorer les forces dont le travail est nul (réactions d'axes, contraintes).
  3. Il est très utile pour relier des vitesses à des positions sans passer par le temps.

💡 À retenir : C'est l'outil privilégié pour les problèmes de trajectoire et de vitesse.

Kifach n3ref wach l'énergie mécanique m7foudha wla la ?
  1. Calcule la dérivée de l'énergie mécanique par rapport au temps : $\frac{dE_m}{dt}$.
  2. Si $\frac{dE_m}{dt} = 0$, alors l'énergie est conservée.
  3. Cela arrive si toutes les forces travaillantes sont conservatives (poids, ressort).

💡 À retenir : Si y a des frottements, l'énergie mécanique diminue.

Le moment d'inertie dépend-il de la vitesse de rotation ?

Non, le moment d'inertie est une caractéristique géométrique et massique du solide. Il dépend uniquement de la répartition de la masse par rapport à l'axe de rotation choisi.

💡 À retenir : $J$ est une constante pour un solide donné.

Comment traiter le travail d'un ressort dans le bilan énergétique ?
  1. Le ressort exerce une force conservative.
  2. Son travail est égal à l'opposé de la variation de son énergie potentielle élastique : $W = -\Delta E_{pe}$.
  3. $E_{pe} = \frac{1}{2} k (x - l_0)^2$.

💡 À retenir : Intègre toujours $E_{pe}$ dans l'énergie mécanique totale.

Peut-on appliquer le théorème de l'énergie cinétique dans un référentiel non galiléen ?

Oui, mais il faut ajouter les puissances des forces d'inertie (d'entraînement et de Coriolis) dans le bilan des puissances. Cela complexifie souvent le problème.

💡 À retenir : Privilégie toujours un référentiel galiléen si possible.

Est-ce que le poids travaille toujours ?

Le poids travaille sauf si le déplacement du centre de masse est perpendiculaire à la direction verticale (mouvement horizontal).

💡 À retenir : $W = M g (z_{initial} - z_{final})$.

Est-ce que le moment d'inertie peut être nul ?

Non, pour un solide réel, la masse est répartie à une certaine distance de l'axe. Si $J=0$, cela signifierait que toute la masse est concentrée sur l'axe, ce qui est impossible pour un solide étendu.

💡 À retenir : $J > 0$ toujours.

Comment calculer la puissance d'un couple moteur ?

La puissance d'un couple de moment $\vec{\Gamma}$ agissant sur un solide en rotation avec une vitesse angulaire $\vec{\Omega}$ est : $\mathcal{P} = \vec{\Gamma} \cdot \vec{\Omega}$.

💡 À retenir : $\mathcal{P} = \Gamma \Omega$ si le vecteur moment est colinéaire à l'axe.

✍️ Exercices type examen national

Exercice 1

Un disque homogène de masse $M$ et rayon $R$ roule sans glisser sur un plan horizontal. Il est relié à un ressort de raideur $k$ fixé à un mur.

  1. Exprimer l'énergie cinétique du disque en fonction de $\omega$ (vitesse angulaire).
  2. En déduire l'équation du mouvement en utilisant le théorème de l'énergie cinétique.
Voir la correction détaillée : inscription gratuite

Exercice 2

Une tige homogène de masse $m$ et longueur $L$ est articulée en son extrémité $O$. Elle est lâchée sans vitesse initiale depuis la position horizontale. Calculer sa vitesse angulaire lorsqu'elle passe par la position verticale.

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Exercice 3

Un solide en rotation autour d'un axe fixe est soumis à un couple de frottement visqueux $\vec{\Gamma}_f = -f \vec{\Omega}$. Établir l'équation différentielle vérifiée par $\omega$.

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