Sciences de l'ingénieur1ère

des mécanismes
Exercices corrigés

Maîtrisez la cinématique des mécanismes : vitesses, accélérations, analyses vectorielles, torseurs cinématiques et applications industrielles grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(\vec{v}_{B/A} = \vec{v}_B - \vec{v}_A\)
Vecteur vitesse relative
\(\vec{a}_{B/A} = \vec{a}_B - \vec{a}_A\)
Vecteur accélération relative
Torseur cinématique
\(\left\lbrace \mathcal{V} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} \vec{\Omega} \\ \vec{V}_A \end{array} \right\rbrace\)
Vitesse angulaire
Relation de Varignon
\(\vec{v}_B = \vec{v}_A + \vec{\Omega} \wedge \vec{AB}\)
Vitesse
Accélération
\(\vec{a}_B = \vec{a}_A + \vec{\Omega} \wedge (\vec{\Omega} \wedge \vec{AB}) + \dot{\vec{\Omega}} \wedge \vec{AB}\)
Accélération
🏃‍♂️
Vitesse : Dérivée de la position par rapport au temps, exprimée en m/s.
💨
Accélération : Dérivée de la vitesse par rapport au temps, exprimée en m/s².
🔄
Vitesse angulaire : Rotation d'un solide, exprimée en rad/s.
Exercice 1
Calculer la vitesse d'un point sur une roue de rayon R=0.3m tournant à ω=10 rad/s.
Exercice 2
Analyser la cinématique d'une bielle de longueur L=20cm dans un mécanisme bielle-manivelle.
Exercice 3
Déterminer la vitesse et l'accélération d'un point sur un disque en rotation uniforme.
Exercice 4
Calculer la cinématique d'un bras manipulateur à 2 degrés de liberté.
Exercice 5
Analyser les vitesses dans un train épicycloïdal de réduction.
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Vitesse d'un point sur une roue
Définition :

Vitesse tangentielle : Pour un point à une distance r du centre de rotation, \(v = \omega r\).

Méthode de calcul :
  1. Identifier le rayon de rotation
  2. Connaître la vitesse angulaire
  3. Appliquer la relation \(v = \omega r\)
  4. Vérifier les unités
v_top
v_right
a_centripète
Données
R = 0.3m
ω = 10 rad/s
Formule
v = ωR
Résultat
v = 3 m/s
Étape 1 : Identifier les paramètres

Rayon de la roue : R = 0.3m, vitesse angulaire : ω = 10 rad/s

Étape 2 : Appliquer la relation fondamentale

\(v = \omega \times R\)

Étape 3 : Calculer la vitesse

\(v = 10 \times 0.3 = 3\) m/s

Étape 4 : Analyser la direction

La vitesse est tangente au cercle, perpendiculaire au rayon

Étape 5 : Considérer l'accélération

Accélération centripète : \(a_c = \omega^2 R = 10^2 \times 0.3 = 30\) m/s²

\(v = 3\) m/s, \(a_c = 30\) m/s²
Réponse finale :

La vitesse tangentielle est de 3 m/s avec une accélération centripète de 30 m/s²

Règles appliquées :

• Vitesse tangentielle : \(v = \omega r\) pour un point en rotation

• Accélération centripète : \(a_c = \omega^2 r\) toujours dirigée vers le centre

• Direction : La vitesse est tangente au cercle de rotation

2 d'une bielle
Définition :

Mécanisme bielle-manivelle : Convertit un mouvement rotatif en mouvement linéaire alternatif.

v_piston
v_manivelle
Données
L = 0.2m
r = 0.05m
Position
θ = 60°
Vitesse
v = ωr
Étape 1 : Analyser la géométrie

Bielle de longueur L = 0.2m, manivelle de rayon r = 0.05m

Étape 2 : Relation de position

Position du piston : \(x = r\cos\theta + \sqrt{L^2 - r^2\sin^2\theta}\)

Étape 3 : Calculer la vitesse du piston

\(v_{piston} = \frac{dx}{dt} = -r\omega\sin\theta - \frac{r^2\omega\sin\theta\cos\theta}{\sqrt{L^2 - r^2\sin^2\theta}}\)

Étape 4 : Substituer les valeurs

Avec θ = 60°, ω = 10 rad/s : \(v_{piston} = -0.05 \times 10 \times \sin(60°) - \frac{(0.05)^2 \times 10 \times \sin(60°)\cos(60°)}{\sqrt{(0.2)^2 - (0.05)^2\sin^2(60°)}}\)

Étape 5 : Calculer le résultat

\(v_{piston} = -0.433 - 0.011 = -0.444\) m/s

\(v_{piston} = -0.444\) m/s
Réponse finale :

La vitesse du piston est de -0.444 m/s (vers la gauche)

Règles appliquées :

• Relation cinématique : Dérivation de la relation de position

• Composition des vitesses : Analyse des mouvements relatifs

• Applications : Moteurs thermiques, pompes, compresseurs

3 Disque en rotation uniforme
Définition :

Rotation uniforme : Mouvement circulaire à vitesse angulaire constante, donc accélération angulaire nulle.

v_1
v_2
v_3
a_c_1
a_c_2
Données
R = 0.15m
ω = 8 rad/s
Vitesse
v = ωR = 1.2 m/s
Accélération
a_c = ω²R = 9.6 m/s²
Étape 1 : Identifier les paramètres

Rayon du disque : R = 0.15m, vitesse angulaire : ω = 8 rad/s

Étape 2 : Calculer la vitesse tangentielle

\(v = \omega R = 8 \times 0.15 = 1.2\) m/s

Étape 3 : Calculer l'accélération centripète

\(a_c = \omega^2 R = 8^2 \times 0.15 = 64 \times 0.15 = 9.6\) m/s²

Étape 4 : Analyser l'accélération angulaire

Rotation uniforme ⇒ \(\dot{\omega} = 0\) ⇒ accélération tangentielle nulle

Étape 5 : Bilan des accélérations

Accélération totale = accélération centripète = 9.6 m/s² vers le centre

\(v = 1.2\) m/s, \(a_c = 9.6\) m/s²
Réponse finale :

La vitesse tangentielle est de 1.2 m/s et l'accélération centripète est de 9.6 m/s²

Règles appliquées :

• Rotation uniforme : Vitesse angulaire constante

• Accélération centripète : Seule composante présente dans le mouvement circulaire uniforme

• Direction : L'accélération centripète est toujours dirigée vers le centre

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Bras manipulateur à 2 degrés de liberté
Définition :

Bras manipulateur plan : Robot à 2 articulations permettant de positionner un effecteur dans un plan.

v_E
v_B
Données
L₁ = 0.3m
L₂ = 0.25m
Angles
θ₁ = 30°
θ₂ = 45°
Vitesses
ω₁ = 2 rad/s
ω₂ = 1.5 rad/s
Étape 1 : Analyser la structure

Bras à 2 segments : L₁ = 0.3m, L₂ = 0.25m

Étape 2 : Position du point B

\(x_B = L_1\cos\theta_1\), \(y_B = L_1\sin\theta_1\)

Étape 3 : Vitesse du point B

\(v_{Bx} = -L_1\omega_1\sin\theta_1\), \(v_{By} = L_1\omega_1\cos\theta_1\)

Étape 4 : Position du point E

\(x_E = x_B + L_2\cos(\theta_1 + \theta_2)\)

\(y_E = y_B + L_2\sin(\theta_1 + \theta_2)\)

Étape 5 : Vitesse du point E

\(v_{Ex} = v_{Bx} - L_2(\omega_1 + \omega_2)\sin(\theta_1 + \theta_2)\)

\(v_{Ey} = v_{By} + L_2(\omega_1 + \omega_2)\cos(\theta_1 + \theta_2)\)

\(v_E = \sqrt{v_{Ex}^2 + v_{Ey}^2}\)
Réponse finale :

La vitesse du point E dépend des vitesses angulaires des deux articulations

Règles appliquées :

• Composition des vitesses : Analyse cinématique des bras articulés

• Jacobien : Matrice reliant les vitesses articulaires aux vitesses opérationnelles

• Applications : Robots industriels, bras manipulateurs, machines-outils

5 Train épicycloïdal
Définition :

Train épicycloïdal : Système d'engrenages planétaire avec un satellite tournant autour d'un planétaire.

v_satellite
v_planétaire
Données
Z_p = 20
Z_s = 40
Rapport
i = 1 + Z_s/Z_p
Vitesse
ω_sortie = ω_entrée/i
Étape 1 : Identifier les composants

Sun gear (planétaire) : Zp = 20 dents, Planet gears (satellites) : Zs = 40 dents

Étape 2 : Analyser les vitesses

Équation de Willis : \(\omega_s - \omega_c = \frac{Z_p}{Z_s}(\omega_p - \omega_c)\)

Étape 3 : Calculer le rapport de réduction

Si le porte-satellites est fixe : \(i = 1 + \frac{Z_s}{Z_p} = 1 + \frac{40}{20} = 3\)

Étape 4 : Analyser les vitesses relatives

Vitesse des satellites par rapport au porte-satellites : \(\omega_{rel} = \omega_s - \omega_c\)

Étape 5 : Applications

Boîtes de vitesses automatiques, transmissions de robotique, générateurs éoliens

\(i = 1 + \frac{Z_s}{Z_p} = 3\)
Réponse finale :

Le rapport de réduction est de 3:1 dans ce train épicycloïdal

Règles appliquées :

• Équation de Willis : Relation fondamentale des trains épicycloïdaux

• Réduction : Grand rapport dans un espace réduit

• Applications : Transmissions automatiques, réducteurs de vitesse, générateurs

Cours bien détaillé
\(\vec{v}_B = \vec{v}_A + \vec{\Omega} \wedge \vec{AB}\)
Relation de Varignon
\(\left\lbrace \mathcal{V} \right\rbrace = \left\lbrace \begin{array}{c} \vec{\Omega} \\ \vec{V}_A \end{array} \right\rbrace\)
Torseur cinématique
🏃‍♂️
Vitesse : Dérivée de la position par rapport au temps, exprimée en m/s.
💨
Accélération : Dérivée de la vitesse par rapport au temps, exprimée en m/s².
🔄
Vitesse angulaire : Rotation d'un solide, exprimée en rad/s.
📊
Applications : Moteurs, transmissions, robots, systèmes mécaniques.
💡
Conseil : Toujours définir un repère fixe pour l'analyse cinématique
🔍
Attention : Ne pas confondre vitesse angulaire et vitesse linéaire
⚡
Astuce : Utiliser les relations de composition des vitesses
📋
Méthode : Toujours vérifier l'homogénéité des unités
✅
Vérification : Comparer les ordres de grandeur avec l'intuition physique
Méthodes d'analyse :
  • Relation de Varignon : \(\vec{v}_B = \vec{v}_A + \vec{\Omega} \wedge \vec{AB}\)
  • Composition des vitesses : Analyse des mouvements relatifs
  • Torseurs cinématiques : Formalisme pour représenter les vitesses
  • Centre instantané de rotation : Point où la vitesse est nulle
Principes fondamentaux :
  • Solide indéformable : Distance entre deux points constants
  • Champ des vitesses : Relation linéaire entre les vitesses des points
  • Accélération : Dérivée de la vitesse par rapport au temps
  • Applications : Analyse des mécanismes, dimensionnement des machines
Cinématique des mécanismes Types de mécanismes