Sciences de l'ingénieur1ère

Systèmes d'applications de forces
Exercices corrigés

Maîtrisez les systèmes d'applications de forces : torseurs, réduction, équilibre, applications en statique et modélisation mécanique grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(\left\lbrace \mathcal{T} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} \vec{R} \\ \vec{M}_A \end{array} \right\rbrace\)
Torseur d'un système de forces
\(\vec{R} = \sum_{i=1}^{n} \vec{F_i}\)
Résultante
Moment résultant
\(\vec{M}_A = \sum_{i=1}^{n} \vec{M}_A(\vec{F_i})\)
Point A
Relation de Varignon
\(\vec{M}_B = \vec{M}_A + \vec{AB} \wedge \vec{R}\)
Changement de point
Équilibre
\(\left\lbrace \mathcal{T} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} \vec{0} \\ \vec{0} \end{array} \right\rbrace\)
Système équilibré
⚙️
Torseur : Outil mathématique pour représenter un système de forces.
🔄
Réduction : Simplification d'un système de forces en un torseur équivalent.
⚖️
Équilibre : \(\vec{R} = \vec{0}\) et \(\vec{M}_A = \vec{0}\) pour tout point A.
Exercice 1
Réduire le système de forces \(\vec{F_1}(30,0,0)\) en A(0,0,0) et \(\vec{F_2}(-20,10,0)\) en B(2,0,0) au point A
Exercice 2
Déterminer le torseur de liaison d'une biellette soumise à deux forces opposées
Exercice 3
Calculer le torseur des forces sur un triangle équilatéral avec forces en chaque sommet
Exercice 4
Analyser le système de forces sur un arbre d'engrenage
Exercice 5
Modéliser le torseur des efforts dans une liaison pivot-glissant
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Réduction d'un système de forces
Définition :

Système de forces : Ensemble de forces \(\{\vec{F_1}, \vec{F_2}, ..., \vec{F_n}\}\) appliquées en des points distincts.

Méthode de réduction :
  1. Calculer la résultante \(\vec{R} = \sum \vec{F_i}\)
  2. Calculer le moment résultant \(\vec{M}_A = \sum \vec{M}_A(\vec{F_i})\)
  3. Exprimer le torseur \(\left\lbrace \mathcal{T} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} \vec{R} \\ \vec{M}_A \end{array} \right\rbrace\)
\(\vec{F_1}(30,0,0)\)
\(\vec{F_2}(-20,10,0)\)
A
B
Données
\(\vec{F_1}(30,0,0)\)
\(\vec{F_2}(-20,10,0)\)
Résultante
\(\vec{R} = (10,10,0)\)
Moment
\(\vec{M}_A = (0,0,20)\)
Étape 1 : Calculer la résultante

\(\vec{R} = \vec{F_1} + \vec{F_2} = (30,0,0) + (-20,10,0) = (10,10,0)\)

Étape 2 : Calculer le moment résultant en A

\(\vec{M}_A = \vec{M}_A(\vec{F_1}) + \vec{M}_A(\vec{F_2})\)

\(\vec{M}_A(\vec{F_1}) = \vec{AA} \wedge \vec{F_1} = \vec{0}\)

\(\vec{M}_A(\vec{F_2}) = \vec{AB} \wedge \vec{F_2} = (2,0,0) \wedge (-20,10,0) = (0,0,20)\)

Étape 3 : Calculer le produit vectoriel

\(\vec{AB} \wedge \vec{F_2} = \begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \\ 2 & 0 & 0 \\ -20 & 10 & 0 \end{vmatrix} = (0,0,20)\)

Étape 4 : Calculer le moment total

\(\vec{M}_A = (0,0,0) + (0,0,20) = (0,0,20)\)

Étape 5 : Exprimer le torseur

\(\left\lbrace \mathcal{T} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} (10,10,0) \\ (0,0,20) \end{array} \right\rbrace\)

\(\left\lbrace \mathcal{T} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} (10,10,0) \\ (0,0,20) \end{array} \right\rbrace\)
Réponse finale :

Le torseur équivalent est \(\left\lbrace \mathcal{T} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} (10,10,0) \\ (0,0,20) \end{array} \right\rbrace\)

Règles appliquées :

• Résultante : Somme vectorielle de toutes les forces

• Moment : Somme des moments de chaque force par rapport au point de réduction

• Produit vectoriel : \(\vec{AB} \wedge \vec{F_2}\) pour calculer le moment de \(\vec{F_2}\) en A

2 Biellette en équilibre
Définition :

Biellette : Pièce mécanique soumise à deux forces opposées, appelée aussi pièce bi-forcée.

\(\vec{F_A}\)
\(\vec{F_B}\)
A
B
Données
\(\vec{F_A} = -\vec{F_B}\)
Résultante
\(\vec{R} = \vec{0}\)
Moment
\(\vec{M} = \vec{0}\)
Étape 1 : Identifier les forces

Deux forces égales et opposées : \(\vec{F_A} = -\vec{F_B}\)

Étape 2 : Calculer la résultante

\(\vec{R} = \vec{F_A} + \vec{F_B} = \vec{F_A} + (-\vec{F_A}) = \vec{0}\)

Étape 3 : Calculer le moment résultant en A

\(\vec{M}_A = \vec{M}_A(\vec{F_A}) + \vec{M}_A(\vec{F_B})\)

\(\vec{M}_A(\vec{F_A}) = \vec{0}\) (force appliquée en A)

\(\vec{M}_A(\vec{F_B}) = \vec{AB} \wedge \vec{F_B}\)

Étape 4 : Utiliser la propriété de la biellette

\(\vec{F_B}\) est opposée à \(\vec{F_A}\) et les forces sont colinéaires à AB

Donc \(\vec{AB} \wedge \vec{F_B} = \vec{0}\) (vecteurs colinéaires)

Étape 5 : Conclure

\(\vec{M}_A = \vec{0} + \vec{0} = \vec{0}\)

\(\left\lbrace \mathcal{T} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} \vec{0} \\ \vec{0} \end{array} \right\rbrace\)
Réponse finale :

Le torseur de liaison est \(\left\lbrace \mathcal{T} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} \vec{0} \\ \vec{0} \end{array} \right\rbrace\)

Règles appliquées :

• Biellette : Pièce soumise à deux forces opposées colinéaires

• Équilibre : Résultante et moment nuls pour une biellette en équilibre

• Colinéarité : Les forces sont alignées avec l'axe de la biellette

3 Triangle équilatéral
Définition :

Système triangulaire : Trois forces appliquées aux sommets d'un triangle équilatéral.

\(\vec{F_A}\)
\(\vec{F_B}\)
\(\vec{F_C}\)
Données
\(\vec{F_A}(0,F,0)\)
\(\vec{F_B}(F,0,0)\)
Résultante
\(\vec{R} = (F,F,0)\)
Moment
\(\vec{M}_G = (?, ?, ?)\)
Étape 1 : Positionner le triangle

Soit un triangle équilatéral ABC de côté a, avec A en haut, B en bas à gauche et C en bas à droite

Étape 2 : Définir les positions

A(0, a√3/2, 0), B(-a/2, 0, 0), C(a/2, 0, 0)

Étape 3 : Calculer la résultante

\(\vec{R} = \vec{F_A} + \vec{F_B} + \vec{F_C}\)

\(\vec{R} = (0,F,0) + (F,0,0) + (0,-F,0) = (F,0,0)\)

Étape 4 : Calculer le moment en G (centre de gravité)

G(0, a√3/6, 0)

\(\vec{M}_G = \vec{GA} \wedge \vec{F_A} + \vec{GB} \wedge \vec{F_B} + \vec{GC} \wedge \vec{F_C}\)

Étape 5 : Calculer chaque moment

\(\vec{GA} = (0, a√3/3, 0)\), \(\vec{GB} = (-a/2, -a√3/6, 0)\), \(\vec{GC} = (a/2, -a√3/6, 0)\)

\(\vec{GA} \wedge \vec{F_A} = (0, a√3/3, 0) \wedge (0,F,0) = (0,0,0)\)

\(\vec{R} = (F,0,0)\)
Réponse finale :

La résultante est \(\vec{R} = (F,0,0)\) et le moment dépend des positions exactes

Règles appliquées :

• Symétrie : Utiliser les propriétés géométriques du triangle

• Résultante : Somme vectorielle des forces

• Moment : Calculer les moments de chaque force par rapport au point choisi

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Arbre d'engrenage
Définition :

Arbre d'engrenage : Arbre soumis à des forces radiales et tangentielles provenant des roues dentées.

Radiale (Fr)
Tangentielle (Ft)
Engrenage
Données
Fr = 500N
Ft = 800N
Résultante
\(\vec{R} = (800,-500,0)\)
Moment
\(\vec{M}_O = (0,0,M)\)
Étape 1 : Identifier les forces

Force radiale Fr = 500N (dirigée vers le centre)

Force tangentielle Ft = 800N (tangente à la circonférence)

Étape 2 : Décomposer les forces

Dans un repère (x, y, z) : \(\vec{F_r} = (0, -500, 0)\) et \(\vec{F_t} = (800, 0, 0)\)

Étape 3 : Calculer la résultante

\(\vec{R} = \vec{F_r} + \vec{F_t} = (800, -500, 0)\)

Étape 4 : Calculer le moment en O

\(\vec{M}_O = \vec{OM} \wedge \vec{F_r} + \vec{OM} \wedge \vec{F_t}\)

Où M est le point d'application de la force

Étape 5 : Calculer le couple de transmission

\(C = F_t \times r\) où r est le rayon de la roue

\(\vec{R} = (800,-500,0) \text{ et } C = F_t \times r\)
Réponse finale :

La résultante est \(\vec{R} = (800,-500,0)\) et le couple de transmission est \(C = F_t \times r\)

Règles appliquées :

• Forces d'engrenage : Radiale (pression des dents) et tangentielle (transmission du couple)

• Couple : \(C = F_t \times r\) où r est le rayon primitif

• Application : Dimensionnement des arbres et des roulements

5 Liaison pivot-glissant
Définition :

Liaison pivot-glissant : Liaison qui autorise une rotation et une translation selon un axe, mais empêche les autres mouvements.

Fz
Fx
My
Liaison
Pivot-glissant
Torseur
\(\left\lbrace \mathcal{T} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} X \\ 0 \\ Z \\ 0 \\ M_y \\ 0 \end{array} \right\rbrace\)
Inconnues
X, Z, My
Étape 1 : Analyser la liaison

Une liaison pivot-glissant autorise la translation et rotation selon un axe (z)

Étape 2 : Identifier les mobilités

Mouvements libres : translation selon z et rotation autour de z

Mouvements bloqués : translations selon x,y et rotations autour de x,y

Étape 3 : Déterminer les inconnues de liaison

La liaison peut transmettre : forces selon x,y et moment autour de y

Étape 4 : Écrire le torseur de liaison

\(\left\lbrace \mathcal{T}_{liaison} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} X \\ 0 \\ Z \\ 0 \\ M_y \\ 0 \end{array} \right\rbrace\)

Étape 5 : Appliquer aux problèmes pratiques

Utilisé dans les vérins hydrauliques, guidages en translation

\(\left\lbrace \mathcal{T} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} X \\ 0 \\ Z \\ 0 \\ M_y \\ 0 \end{array} \right\rbrace\)
Réponse finale :

Le torseur de liaison est \(\left\lbrace \mathcal{T} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} X \\ 0 \\ Z \\ 0 \\ M_y \\ 0 \end{array} \right\rbrace\)

Règles appliquées :

• Liaison pivot-glissant : 2 degrés de liberté (translation et rotation selon un axe)

• Inconnues : 4 composantes non nulles dans le torseur de liaison

• Applications : Vérins, axes de machine-outil, guidages en translation

Cours bien détaillé
\(\left\lbrace \mathcal{T} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} \vec{R} \\ \vec{M}_A \end{array} \right\rbrace\)
Torseur d'un système de forces
\(\vec{M}_B = \vec{M}_A + \vec{AB} \wedge \vec{R}\)
Relation de Varignon
⚙️
Torseur : Ensemble mathématique constitué d'une résultante et d'un moment, permettant de représenter un système de forces.
🔄
Réduction : Opération consistant à remplacer un système de forces par un torseur équivalent plus simple.
⚖️
Équilibre : Condition nécessaire pour qu'un solide soit en équilibre : \(\vec{R} = \vec{0}\) et \(\vec{M}_A = \vec{0}\) pour tout point A.
🔧
Applications : Analyse des structures, dimensionnement des pièces mécaniques, étude des transmissions.
💡
Conseil : Toujours spécifier le point de réduction du torseur
🔍
Attention : Le moment dépend du point de calcul contrairement à la résultante
⚡
Astuce : Utiliser la relation de Varignon pour changer de point de réduction
📋
Méthode : Calculer d'abord la résultante puis le moment
✅
Vérification : Vérifier l'homogénéité des unités et la cohérence physique
Méthodes de réduction :
  • Somme directe : \(\vec{R} = \sum \vec{F_i}\) et \(\vec{M}_A = \sum \vec{M}_A(\vec{F_i})\)
  • Transport de torseur : Utiliser la relation de Varignon pour changer de point
  • Recherche du point central : Point où le moment est colinéaire à la résultante
  • Simplification par symétrie : Exploiter les propriétés géométriques du système
Propriétés importantes :
  • La résultante d'un système de forces est un invariant du torseur
  • Le moment varie selon la relation de Varignon lors du changement de point
  • Un système de forces équivalent à un couple a une résultante nulle
  • Deux systèmes de forces sont équivalents s'ils ont le même torseur
Systèmes d’applications de forces Modélisation des actions mécaniques