Sciences de l'ingénieur · 2ème Année Bac — Sciences et Technologies Mécaniques
Formulaire pour La Flexion
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
La flexion plane simple est une sollicitation où les forces agissent perpendiculairement à la fibre moyenne. Le formulaire regroupe les relations fondamentales :
Flèche maximale ($f$) : Dépend du type de chargement et de la liaison (ex: poutre sur deux appuis avec charge centrée $F$ : $f = \frac{F \cdot L^3}{48 \cdot E \cdot I_{Gz}}$).
Module de flexion : $I_{Gz}$ (Moment quadratique) et $v$ (distance maximale à la fibre neutre).
Méthodes à maîtriser
Étape 1 : Isoler la poutre et calculer les réactions d'appuis.
Étape 2 : Déterminer les équations du moment fléchissant $M_{fz}(x)$ par tronçons.
Étape 3 : Identifier la valeur absolue maximale $|M_{fz_max}|$.
Étape 4 : Calculer $I_{Gz}$ selon la forme de la section.
Étape 5 : Vérifier la condition de résistance $\sigma_{max} \leq R_{pe}$.
Exemples corrigés
Exemple : Poutre sur deux appuis, charge ponctuelle $F$ au milieu.
$M_{fz_max} = \frac{F \cdot L}{4}$. Si $F=1000N, L=2m$, alors $M_{fz_max} = 500 N.m$.
Si la section est rectangulaire ($b=20mm, h=40mm$), $I_{Gz} = \frac{b \cdot h^3}{12} = \frac{0,02 \cdot 0,04^3}{12} = 1,06 \cdot 10^{-7} m^4$.
$\sigma_{max} = \frac{500 \cdot 0,02}{1,06 \cdot 10^{-7}} \approx 94,3 MPa$.
Erreurs fréquentes
Oublier de convertir les unités (mm en m, N.mm en N.m).
Confondre $I_{Gz}$ (moment quadratique) avec $I_0$ (moment polaire).
Utiliser la formule de la flèche d'un cas de charge pour un autre cas.
Négliger le coefficient de sécurité $s$ dans le calcul de $R_{pe}$.
Quelle est l'unité du moment fléchissant dans le système international ?
❓ Questions fréquentes
Kifach n7seb I{Gz} ila kan l-m9ta3 3ando chkel m3e9ed?
Décompose la section complexe en formes simples (rectangles, cercles).
Utilise le théorème de Huygens si le centre de gravité de la forme simple n'est pas confondu avec celui de la section totale : $I_{Gz} = I_{Gz_forme} + A \cdot d^2$.
Additionne ou soustrais les moments quadratiques selon la géométrie.
💡 À retenir : Le moment quadratique est une propriété géométrique additive par rapport à un axe commun.
Est-ce que la contrainte normale dépend de la longueur de la poutre ?
Non, pas directement. La contrainte normale $\sigma$ dépend du moment fléchissant $M_{fz}$. Or, $M_{fz}$ dépend de la longueur $L$ de la poutre (ex: $M_{fz} = F \cdot L / 4$). Donc, indirectement, la longueur influence la contrainte.
💡 À retenir : Plus la poutre est longue, plus le bras de levier est grand, plus le moment fléchissant augmente.
Chno hiya l-far9 bin Re o R{pe}?
$R_e$ (Résistance élastique) est une valeur intrinsèque au matériau (donnée constructeur).
$R_{pe}$ (Résistance pratique à l'extension) est la valeur limite qu'on s'autorise à utiliser en calcul pour garantir la sécurité.
On utilise $R_{pe} = R_e / s$ où $s$ est le coefficient de sécurité.
💡 À retenir : On ne travaille jamais à la limite de rupture ($R_e$), on prend toujours une marge de sécurité.
Comment savoir si je dois calculer la flèche ?
Tu dois calculer la flèche si l'énoncé impose une condition de déformation (ex: "la flèche ne doit pas dépasser $L/500$"). Si l'énoncé demande seulement de vérifier la résistance, le calcul de $\sigma_{max}$ suffit.
💡 À retenir : La résistance concerne la rupture, la flèche concerne la rigidité (déformation).
Kifach n3ref fin kayn M{fzmax}?
Trace le diagramme du moment fléchissant $M_{fz}(x)$ le long de la poutre.
Le maximum se trouve soit là où l'effort tranchant $T_y$ s'annule, soit aux points d'application des charges concentrées.
Compare les valeurs aux points critiques.
💡 À retenir : Le moment fléchissant est maximal là où l'effort tranchant change de signe.
Est-ce que le moment quadratique change si on tourne la poutre ?
Oui, absolument. Le moment quadratique $I_{Gz}$ dépend de la répartition de la matière par rapport à l'axe de flexion. Pour un rectangle, $I_{Gz} = \frac{bh^3}{12}$. Si tu le tournes, $b$ et $h$ s'inversent, donc $I_{Gz}$ change.
💡 À retenir : Une poutre est plus rigide si sa plus grande dimension est placée dans le plan de flexion.
Pourquoi on divise par v dans la formule sigma = M/I cdot v ?
$v$ est la distance entre la fibre neutre (où $\sigma=0$) et la fibre la plus éloignée. Comme la contrainte est proportionnelle à la distance à la fibre neutre, c'est à la distance $v$ que la contrainte est maximale.
💡 À retenir : Les fibres les plus éloignées de l'axe neutre sont celles qui travaillent le plus.
La formule de la flèche change-t-elle si la poutre est encastrée ?
Oui. Les conditions aux limites (encastrement vs appuis simples) modifient totalement les équations de la déformée. Pour une poutre encastrée avec une charge en bout, la flèche est $f = \frac{F \cdot L^3}{3 \cdot E \cdot I_{Gz}}$.
💡 À retenir : La liaison impose la forme de la déformée, donc la formule de la flèche.
Est-ce que le matériau influence la flèche ?
Oui, via le module de Young $E$ (module d'élasticité). Plus $E$ est grand, plus le matériau est rigide et moins la poutre se déforme.
💡 À retenir : La flèche est inversement proportionnelle au module de Young $E$.
Est-ce que le poids propre de la poutre est toujours négligé ?
Dans les exercices de bac, il est souvent négligé sauf si l'énoncé donne la masse linéique (kg/m). S'il est donné, il faut le traiter comme une charge répartie $q$ (en N/m).
💡 À retenir : Si la poutre est très longue ou lourde, son poids propre devient une charge répartie $q = \rho \cdot g \cdot S$.
Comment choisir le coefficient de sécurité s ?
Il n'est pas à choisir, il est imposé par l'énoncé. Il dépend du danger lié à la rupture de la pièce (ex: $s=2$ pour une structure classique, $s=4$ pour un appareil de levage).
💡 À retenir : Plus le risque est élevé, plus le coefficient de sécurité est grand.
Est-ce que I{Gz} peut être négatif ?
Non, le moment quadratique est une intégrale de surfaces ($y^2 \cdot dA$), donc il est toujours strictement positif. Si tu trouves un résultat négatif, vérifie tes calculs.
💡 À retenir : Une valeur négative pour un moment quadratique est une erreur de calcul immédiate.
✍️ Exercices type examen national
Exercice 1
Une poutre en acier de section rectangulaire ($b=30mm, h=60mm$) est posée sur deux appuis distants de $L=2m$. Elle supporte une charge ponctuelle $F=2000N$ en son milieu.
Données : $R_e = 240 MPa$, $s = 2$.
La flexion plane simple est une sollicitation où les forces agissent perpendiculairement à la fibre moyenne. Le formulaire regroupe les relations fondamentales :
Condition de résistance : σmax≤Rpe (avec Rpe=sRe)
Flèche maximale (f) : Dépend du type de chargement et de la liaison (ex: poutre sur deux appuis avec charge centrée F : f=48⋅E⋅IGzF⋅L3).
Module de flexion : IGz (Moment quadratique) et v (distance maximale à la fibre neutre).
Méthodes à maîtriser
Étape 1 : Isoler la poutre et calculer les réactions d'appuis.
Étape 2 : Déterminer les équations du moment fléchissant Mfz(x) par tronçons.
Étape 3 : Identifier la valeur absolue maximale ∣Mfz_max∣.
Étape 4 : Calculer IGz selon la forme de la section.
Étape 5 : Vérifier la condition de résistance σmax≤Rpe.
Exemples corrigés
Exemple : Poutre sur deux appuis, charge ponctuelle F au milieu.Mfz_max=4F⋅L. Si F=1000N,L=2m, alors Mfz_max=500N.m.
Si la section est rectangulaire (b=20mm,h=40mm), IGz=12b⋅h3=120,02⋅0,043=1,06⋅10−7m4.
σmax=1,06⋅10−7500⋅0,02≈94,3MPa.
Erreurs fréquentes
Oublier de convertir les unités (mm en m, N.mm en N.m).
Confondre IGz (moment quadratique) avec I0 (moment polaire).
Utiliser la formule de la flèche d'un cas de charge pour un autre cas.
Négliger le coefficient de sécurité s dans le calcul de Rpe.
Décompose la section complexe en formes simples (rectangles, cercles).
Utilise le théorème de Huygens si le centre de gravité de la forme simple n'est pas confondu avec celui de la section totale : IGz=IGz_forme+A⋅d2.
Additionne ou soustrais les moments quadratiques selon la géométrie.
💡 À retenir : Le moment quadratique est une propriété géométrique additive par rapport à un axe commun.
Non, pas directement. La contrainte normale σ dépend du moment fléchissant Mfz. Or, Mfz dépend de la longueur L de la poutre (ex: Mfz=F⋅L/4). Donc, indirectement, la longueur influence la contrainte.
💡 À retenir : Plus la poutre est longue, plus le bras de levier est grand, plus le moment fléchissant augmente.
Re (Résistance élastique) est une valeur intrinsèque au matériau (donnée constructeur).
Rpe (Résistance pratique à l'extension) est la valeur limite qu'on s'autorise à utiliser en calcul pour garantir la sécurité.
On utilise Rpe=Re/s où s est le coefficient de sécurité.
💡 À retenir : On ne travaille jamais à la limite de rupture (Re), on prend toujours une marge de sécurité.
Tu dois calculer la flèche si l'énoncé impose une condition de déformation (ex: "la flèche ne doit pas dépasser L/500"). Si l'énoncé demande seulement de vérifier la résistance, le calcul de σmax suffit.
💡 À retenir : La résistance concerne la rupture, la flèche concerne la rigidité (déformation).
Trace le diagramme du moment fléchissant Mfz(x) le long de la poutre.
Le maximum se trouve soit là où l'effort tranchant Ty s'annule, soit aux points d'application des charges concentrées.
Compare les valeurs aux points critiques.
💡 À retenir : Le moment fléchissant est maximal là où l'effort tranchant change de signe.
Oui, absolument. Le moment quadratique IGz dépend de la répartition de la matière par rapport à l'axe de flexion. Pour un rectangle, IGz=12bh3. Si tu le tournes, b et h s'inversent, donc IGz change.
💡 À retenir : Une poutre est plus rigide si sa plus grande dimension est placée dans le plan de flexion.
v est la distance entre la fibre neutre (où σ=0) et la fibre la plus éloignée. Comme la contrainte est proportionnelle à la distance à la fibre neutre, c'est à la distance v que la contrainte est maximale.
💡 À retenir : Les fibres les plus éloignées de l'axe neutre sont celles qui travaillent le plus.
Oui. Les conditions aux limites (encastrement vs appuis simples) modifient totalement les équations de la déformée. Pour une poutre encastrée avec une charge en bout, la flèche est f=3⋅E⋅IGzF⋅L3.
💡 À retenir : La liaison impose la forme de la déformée, donc la formule de la flèche.
Oui, via le module de Young E (module d'élasticité). Plus E est grand, plus le matériau est rigide et moins la poutre se déforme.
💡 À retenir : La flèche est inversement proportionnelle au module de Young E.
Dans les exercices de bac, il est souvent négligé sauf si l'énoncé donne la masse linéique (kg/m). S'il est donné, il faut le traiter comme une charge répartie q (en N/m).
💡 À retenir : Si la poutre est très longue ou lourde, son poids propre devient une charge répartie q=ρ⋅g⋅S.
Il n'est pas à choisir, il est imposé par l'énoncé. Il dépend du danger lié à la rupture de la pièce (ex: s=2 pour une structure classique, s=4 pour un appareil de levage).
💡 À retenir : Plus le risque est élevé, plus le coefficient de sécurité est grand.
Non, le moment quadratique est une intégrale de surfaces (y2⋅dA), donc il est toujours strictement positif. Si tu trouves un résultat négatif, vérifie tes calculs.
💡 À retenir : Une valeur négative pour un moment quadratique est une erreur de calcul immédiate.
Exercice 1
Une poutre en acier de section rectangulaire (b=30mm,h=60mm) est posée sur deux appuis distants de L=2m. Elle supporte une charge ponctuelle F=2000N en son milieu.
Données : Re=240MPa, s=2.
Calculer le moment fléchissant maximal.
Calculer le moment quadratique IGz.
Vérifier la condition de résistance.
Exercice 2
Une poutre console (encastrée à une extrémité) de longueur L=1m supporte une charge répartie q=500N/m.
Déterminer le moment fléchissant maximal (à l'encastrement).
Sachant que IGz=2⋅10−6m4 et v=0,05m, calculer la contrainte maximale.
Exercice 3
Une poutre de section circulaire (diamètre D=40mm) est soumise à un moment fléchissant Mfz=800N.m.
Calculer IGz pour un cercle (IGz=64π⋅D4).
Calculer la contrainte maximale.
Si on veut réduire la contrainte de moitié en gardant le même matériau, faut-il augmenter ou diminuer le diamètre ? Justifier.