Modélisation des Actions Mécaniques

1. ModélisationdesActions Mécaniques 1ère SI Cours :

2. 1) NOTION D’ACTION MECANIQUE On appelle action mécanique toute cause susceptible de : ·Créer ou modifier un mouvement ; Le déplacement d’un voilier est dû à l’action mécanique exercée par le vent sur la voile. ·Maintenir un corps au repos ; L’action mécanique exercée sur la manivelle d’un étau permet de fixer une pièce entre les 2 mors de l’étau. ·Déformer un corps ; La charge excessive soulevée par un haltérophile déforme la barre des haltères.

3. 2) DIFFERENTS TYPES D’ACTIONS MECANIQUES 2.1) LES ACTIONS MECANIQUES A DISTANCE En construction mécanique, elles sont essentiellement de type magnétique ou de pesanteur. 2.2) LES ACTIONS MECANIQUES DE CONTACT  Elles résultent : - Soit du contact d’un fluide (gaz ou liquide) sur un solide; - Soit du contact d’un solide avec un autre solide. Dans le cas de contact entre deux solides, les deux solides sont obligatoirement en liaison mécanique et l’action mécanique exercée dépend de la nature du contact entre les deux solides. ( ponctuel, linéique, surfacique plan, etc.…) Par exemple, une liaison pivot glissant ne peut transmettre les mêmes efforts qu’une liaison encastrement à cause de ses deux degrés de liberté.

4. - Direction : normale au plan tangent de contact (0,Y ,Z ) donc suivant X. - Sens : vers pièce sur laquelle s’exerce l’effort, ici: suivant les X négatifs, E4/2 E4/2 Y X 3) LE MODELE DE LA FORCE Nous avons vu en étudiant les liaisons que le contact entre deux pièces pouvait être soit ponctuel, linéique ou surfacique. Dans un premier temps, nous allons étudier l'action mécanique transmissible par un contact ponctuel parfait ( liaison parfaite ). 3.1) CAS DU CONTACT PONCTUEL PARFAIT (Sans Frottements) L'action mécanique qui s'exerce entre deux solides en contact ponctuel sera modélisée par une force, dont les caractéristiques sont celles d’un vecteur : - Origine : point de contact E, - Norme : dépend, de la « grandeur » de l’effort. On a l'habitude de désigner une action mécanique modélisable par une force de la façon qui suit : solide sollicité solide qui exerce la force point d’application de la force

5. r D f r F D f r D f r D f , avec : Nous avons donc une infinité de forces élémentaires . Leur somme nous donne une force appelée force de pression , ayant les caractéristiques suivantes : - F : effort développé (N) - p : pression uniforme du fluide (Pa) - S : surface de la paroi plane, en (m2) 3.2.1) Cas de la Pression d’un Fluide sur une Paroi Plane 3.2) CAS DES CONTACTS NON PONCTUELS C La pression sera supposée uniforme (constante sur toute la paroi). Elle s’applique en chaque élément de surface de la paroi. - Point d’application : le centre de la surface, C - Direction : perpendiculaire à la surface de contact entre le fluide et la paroi - Sens : dirigé vers la paroi - Norme : Anciennement: daN Bar cm²

6. r r D p D p r r D p D p r r D D p p P Nous avons donc une infinité de forces élémentaires . Leur somme nous donne une force appelée force de pesanteurP, ayant les caractéristiques suivantes : avec :-P : poids en Newton ( N ) • m : masse du solide ou du système en kilogrammes ( kg ) • g : accélération de la pesanteur = 9.81 m.s-2 3.2.1) Cas de la Pesanteur G On considère un solide indéformable. La pesanteur s’applique en chaque élément de matière de ce solide. - Point d’application : G, le centre de gravité du solide ou du système - Direction : verticale passant par G - Sens : vers le bas - Norme :

7. Y F 8/6 D X 3.3.3) Cas de l’Action d’un Ressort de Compression L’action mécanique qu’exerce un ressort sur une pièce peut être modélisée par une force, dont les caractéristiques sont : - Point d’application : centre du cercle de contact, - Direction : selon l’axe du ressort, - Sens : du ressort vers la pièce, - Norme : proportionnelle à la variation de longueur du ressort (à sa déformation) : F = k (lo-l) , avec - k : raideur du ressort (constante – N/mm) - lo : longueur à vide du ressort (mm) - l : longueur comprimée du ressort (mm) Exemple : effort du ressort sur le piston. D

8. Droite d’action de la force FA (,FA) On appelle moment d'une force par rapport à un axe (O, ), le produit de la norme de la force ( ) par la distance de la droite d'action de la force à l'axe considéré, affecté d’un signe défini ci-dessous : FA FA + si la force tend à provoquer une rotation autour de l'axe dans le sens positif ou . ou ou Exemple : 4) LE MOMENT D’UNE FORCE 4.1) MOMENT D‘UNE FORCE PAR RAPPORT A UN AXE 4.1.1) Cas où la Force est Orthogonale à l’Axe DEFINITION : Distance Distance : Bras de levier L'unité du moment est le Newton-mètre (N.m) -si la force tend à provoquer une rotation autour de l'axe dans le sens négatif. d : distance la plus courte à la droite d’action (m) appelée aussi Bras de levier  : norme de la force (N) Le moment d’une force par rapport à un axe est nul si le support de la force et l’axe du moment considéré appartiennent à un même plan.

9. FA FA Que pensez-vous du moment de FA par rapport à l’axe (O, z ) ? Remarque : la force en A ne tend pas à «faire tourner» le bras du robot autour de l’axe (O, z ). Le moment est donc nul par rapport à cet axe. car est parallèle à A Retenir 4.1.2) Cas où la Force est Parallèle à l’Axe Le moment d'une force par rapport à un axe qui lui est parallèle est nul.

10. On appelle vecteur moment de au point O, , le vecteur dont les coordonnées ou composantes sont les moments par rapport aux trois axes : Remarque : et sont perpendiculaires 4.2) MOMENT D‘UNE FORCE PAR RAPPORT A UN POINT,NOTION DE VECTEUR MOMENT 4.2.1) Notion de Vecteur Moment DEFINITION :

11. r - Son support est perpendiculaire au plan (S, , ) W r V r U - Son sens est tel que le trièdre ( , , ) soit direct S Le produit vectoriel d'un vecteur par un vecteur que l'on notera est le vecteur dont un représentant d'origine M est tel que : - Sa norme a pour valeur: • si • si et sont colinéaires - dans les cas suivants : • si • Dans un repère orthonormé direct ayant pour vecteur pour • vecteurs de base , on a : z j k i y ; ; x 4.2.2) Détermination Analytique, Produit Vectoriel DEFINITION : PROPRIETES :

12. Soient a, b et c les coordonnées du vecteur dans R0. Pour obtenir le produit vectoriel (qui est le moment en S de ) on effectue les produits en croix comme ci-dessous : X Y Z a b c = R0 R0 R0 Soient X, Y et Z les coordonnées du vecteur dans R0. Expression analytique du moment dans un repère orthonormé direct R0 : = b  Z – c  Y = c  X – a  Z a  Y – b  X a X

13. La Force et le Moment ……… Dans la vie courante, est-ce que les actions mécaniques sont uniquement des forces ou des moments ? Non, car une action mécanique ne déplace (ou déforme) pas uniquement un solide : - en translation (cas de la force) - en rotation (cas du moment) Plus généralement une Action Mécanique peut engendrer des translations en même temps que des rotations : Une AM est donc une composition de forces et de moments. le TORSEUR Cette association s’appelle ……………

14. Soient deux sous-ensembles 1 et 2 d'un mécanisme en liaison de centre A. L'action mécanique de 1 sur 2 est modélisée par l’association des vecteurs : et . L'ensemble s'appelle Torseur associé à l'action mécanique de 1 sur 2. est appelée résultante du torseur. A Retenir est appelé moment résultant en Adu torseur associé. et sont les éléments de réduction du torseur au point A. 5) LE TORSEUR 5.1) EXPRESSION DU TORSEUR C'est la modélisation la plus générale pour une action mécanique. Elle permet, entre autres, de modéliser l’action mécanique transmissible par une liaison mais aussi les actions mécaniques de pesanteur, de pression et d’un ressort vues précédemment. DEFINITION :

15. où (A; , , ) représente le repère local associé à la liaison. On a : au point de réduction A, et on veut le "transporter" (le déplacer) au point B. On montre que le torseur, déplacé au point B, s'écrit : NOTATION : Coordonnées de la résultante Coordonnées du moment résultant Point de réduction (calcul) du torseur Base de réduction (calcul) du torseur TRANSPORT D’UN TORSEUR :

16. 5.2) TORSEURS DE QUELQUES ACTIONS MECANIQUES DEJA VUES 5.2.1) Torseur de l’Action Mécanique de Pression 5.2.2) Torseur de l’Action Mécanique de Pesanteur 5.2.3) Torseur de l’Action Mécanique d’un Ressort

17. Cas d'un problème plan de normale Nature de la liaison et repère associé : R Schéma spatial Mvts possibles Torseur transmissible Schéma plan Torseur transmissible Encastrement R quelconque Pivot d'axe (A, ) Rotule de centre A Tx 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Tx 0 0 Rx Ry Rz Rx 0 0 0 0 0 0 0 Rz 0 0 0 Glissière d'axe (A, ) Pivot glissant d'axe (A, ) 5.3) TORSEURS DANS LES LIAISONS

18. Cas d'un problème plan de normale Nature de la liaison et repère associé : R Schéma spatial Mvts possibles Torseur transmissible Schéma plan Torseur transmissible Appui plan de normale (A, ) Ponctuelle de normale (A, ) Linéaire rectiligne de normale (A, ) et d’axe (A, ) 0 Ty Tz 0 Ty Tz Tx 0 Tz 0 Ty 0 Rx 0 Rz Rx Ry Rz Rx Ry Rz 0 Ry 0 Linéaire annulaire d'axe (A, ) 5.3) TORSEURS DANS LES LIAISONS - SUITE

19. FIN Vous savez maintenant tout, ou presque, sur la Modélisation des Actions Mécaniques