Sciences de l'ingénieur1ère

Puissance mécanique
Exercices corrigés

Maîtrisez la puissance mécanique : forces, vitesses, couples, rendements, transmissions grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(P = \vec{F} \cdot \vec{v} = C \cdot \omega\)
Puissance mécanique
Translation
\(P = F \cdot v\)
Force × vitesse
Rotation
\(P = C \cdot \omega\)
Couple × vitesse angulaire
Rendement
\(\eta = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{absorbée}}}\)
Puissance utile / absorbée
⚡
Définition : La puissance mécanique est le taux de transfert d'énergie mécanique.
⚙️
Unité : Le watt (W) = joule/seconde (J/s).
🔄
Transmission : La puissance se conserve dans un système idéal sans perte.
📊
Rendement : Rapport entre la puissance utile et la puissance absorbée.
Exercice 1
Puissance d'une voiture en mouvement rectiligne
Exercice 2
Couple et puissance d'un moteur électrique
Exercice 3
Puissance d'un ascenseur en montée
Exercice 4
Transmission par courroie : puissance et couple
Exercice 5
Rendement d'une installation industrielle
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Puissance d'une voiture
Définition :

Puissance en translation : \(P = F \cdot v\) où F est la force motrice et v la vitesse du véhicule.

Méthode de calcul :
  1. Identifier la force de traction nécessaire
  2. Convertir la vitesse dans les unités appropriées
  3. Appliquer la formule P = F×v
  4. Convertir en unité plus adaptée si nécessaire
Énoncé :

Une voiture roule à 90 km/h et développe une force de traction de 800 N. Calculer la puissance mécanique fournie.

Étape 1 : Conversion de la vitesse

v = 90 km/h = 90/3.6 = 25 m/s

Étape 2 : Application de la formule

P = F × v = 800 × 25 = 20 000 W

Étape 3 : Conversion en kW

P = 20 000 W = 20 kW

Étape 4 : Conversion en chevaux-vapeur

P = 20 000/736 ≈ 27.17 ch (chevaux-vapeur)

P = 20 kW
Réponse finale :

La puissance mécanique fournie par le véhicule est de 20 kW.

Règles appliquées :

• Unités : Force en Newton, vitesse en m/s, puissance en Watt

• Conversion : 1 km/h = 1/3.6 m/s

• Interprétation : La puissance dépend de la force et de la vitesse

2 Couple d'un moteur
Définition :

Puissance en rotation : \(P = C \cdot \omega\) où C est le couple et ω la vitesse angulaire.

Énoncé :

Un moteur électrique tourne à 1500 tr/min et fournit une puissance de 5 kW. Calculer le couple utile.

Étape 1 : Conversion de la vitesse angulaire

n = 1500 tr/min

ω = 2πn/60 = 2π×1500/60 = 50π rad/s ≈ 157.08 rad/s

Étape 2 : Conversion de la puissance

P = 5 kW = 5000 W

Étape 3 : Isolation du couple

P = C × ω donc C = P/ω

C = 5000/157.08 ≈ 31.83 N·m

Étape 4 : Vérification

P = C × ω = 31.83 × 157.08 ≈ 5000 W ✓

C ≈ 31.83 N·m
Réponse finale :

Le couple utile du moteur est d'environ 31.83 N·m.

Règles appliquées :

• Conversion : tr/min → rad/s avec ω = 2πn/60

• Unités : Couple en N·m, vitesse angulaire en rad/s

• Relation : P = C×ω, donc C = P/ω

3 Ascenseur en montée
Définition :

Puissance de levage : \(P = mgv\) pour un ascenseur en montée à vitesse constante.

Énoncé :

Un ascenseur de 800 kg monte à une vitesse constante de 1.5 m/s. Calculer la puissance mécanique nécessaire.

Étape 1 : Calcul de la force de gravité

Poids = mg = 800 × 9.81 = 7848 N

Étape 2 : Application de la formule

P = F × v = mg × v

P = 7848 × 1.5 = 11 772 W

Étape 3 : Conversion en kW

P = 11 772 W = 11.77 kW

Étape 4 : Prise en compte des frottements

En pratique, on ajoute 20% pour compenser les frottements

P_absorbée = 11.77 × 1.2 ≈ 14.12 kW

P_utile = 11.77 kW
Réponse finale :

La puissance utile est de 11.77 kW, soit environ 14.12 kW avec les frottements.

Règles appliquées :

• Équilibre : Force motrice = poids + frottements

• Constante : Vitesse constante ⇒ accélération nulle

• Pratique : Les frottements augmentent la puissance nécessaire

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Transmission par courroie
Définition :

Transmission sans perte : La puissance se conserve, mais pas le couple ni la vitesse.

Énoncé :

Un moteur fournit un couple de 50 N·m à 3000 tr/min. Il entraîne une machine via une transmission par courroie avec un rapport de 3. Calculer la vitesse et le couple de la machine réceptrice.

Étape 1 : Données connues

C₁ = 50 N·m, n₁ = 3000 tr/min, i = 3

Étape 2 : Calcul de la vitesse de sortie

i = n₂/n₁ donc n₂ = n₁/i = 3000/3 = 1000 tr/min

Étape 3 : Conservation de la puissance

P₁ = P₂, donc C₁×ω₁ = C₂×ω₂

C₂ = C₁ × (ω₁/ω₂) = C₁ × (n₁/n₂) = C₁ × i

Étape 4 : Calcul du couple de sortie

C₂ = C₁ × i = 50 × 3 = 150 N·m

n₂ = 1000 tr/min, C₂ = 150 N·m
Réponse finale :

La machine réceptrice tourne à 1000 tr/min avec un couple de 150 N·m.

Règles appliquées :

• Conservation : P = C×ω se conserve dans une transmission idéale

• Proportionnalité : Couple et vitesse sont inversément proportionnels

• Rapport : i = n_sortie/n_entree

5 Rendement d'une installation
Définition :

Rendement : \(\eta = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{absorbée}}}\) mesure l'efficacité d'un système.

Énoncé :

Une pompe centrifuge est entraînée par un moteur électrique de 15 kW. Elle fournit une puissance hydraulique de 11.25 kW. Calculer le rendement global de l'installation.

Étape 1 : Identification des puissances

P_absorbée = 15 kW (puissance électrique du moteur)

P_utile = 11.25 kW (puissance hydraulique fournie)

Étape 2 : Application de la formule du rendement

η = P_utile/P_absorbée = 11.25/15 = 0.75

Étape 3 : Conversion en pourcentage

η = 0.75 = 75%

Étape 4 : Calcul des pertes

P_pertes = P_absorbée - P_utile = 15 - 11.25 = 3.75 kW

Pertes = (P_pertes/P_absorbée) × 100 = (3.75/15) × 100 = 25%

η = 75%
Réponse finale :

Le rendement global de l'installation est de 75%.

Règles appliquées :

• Définition : Rendement = puissance utile / puissance absorbée

• Range : 0 < η < 1 (ou 0% < η < 100%)

• Conservation : P_absorbée = P_utile + P_pertes

Cours bien détaillé
\(P = F \cdot v = C \cdot \omega, \eta = \frac{P_{\text{utile}}}{P_{\text{absorbée}}}\)
Formules fondamentales
⚡
Puissance : Taux de transfert d'énergie par unité de temps.
⚙️
Translation : P = F×v pour un mouvement rectiligne.
🔄
Rotation : P = C×ω pour un mouvement de rotation.
📊
Rendement : Mesure de l'efficacité d'un système énergétique.
💡
Conseil : Toujours vérifier l'unité de la puissance (Watt)
🔍
Attention : Ne pas confondre couple et force
⚡
Astuce : Utiliser P = C×ω pour les systèmes en rotation
📋
Méthode : Toujours identifier la puissance utile et absorbée
✅
Vérification : Le rendement est toujours inférieur à 1
Méthodes de calcul :
  • Translation : P = F×v (force × vitesse)
  • Rotation : P = C×ω (couple × vitesse angulaire)
  • Hydraulique : P = Q×ρ×g×H (débit × hauteur)
  • Électrique : P = U×I (tension × intensité)
Règles importantes :
  • La puissance se mesure en watts (W)
  • 1 kW = 1000 W et 1 ch = 736 W
  • Le rendement est toujours compris entre 0 et 1
  • La puissance se conserve dans une transmission idéale
  • Le couple et la vitesse sont liés par la conservation de la puissance
\(i = \frac{n_s}{n_e} = \frac{C_e}{C_s}\)
Rapport de transmission
Puissance
\(P = \frac{W}{t}\)
Travail / temps
Rendement
\(\eta = \frac{P_u}{P_a}\)
Utile / absorbée
Conservation
\(P_e = P_s + P_{pertes}\)
Entrée = Sortie + Pertes
Puissance mécanique Énergie et puissance dans les systèmes