Sciences de l'ingénieur1ère

Analyse des liaisons cinématiques
Exercices corrigés

Maîtrisez l'analyse des liaisons cinématiques : degrés de liberté, mobilité, liaisons parfaites grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(m = 6 - l, h = 6 - m = l\)
Mobilité et hyperstatisme
Liaison sphérique
m = 3
l = 3
Rotule
Liaison pivot
m = 1
l = 5
Rotation
Liaison glissière
m = 1
l = 5
Translation
⚙️
Définition : Une liaison cinématique impose des contraintes de mouvement entre deux solides.
🔢
Paramètres : Chaque solide libre possède 6 degrés de liberté dans l'espace.
🔒
Liaison parfaite : Sans frottement, liaison ponctuelle, linéique ou surfacique.
📊
Mobilité : Nombre de mouvements possibles entre deux solides liés.
Exercice 1
Analyse d'une liaison sphérique : degrés de liberté et mobilité
Exercice 2
Liaison pivot : contraintes cinématiques et torseur cinématique
Exercice 3
Liaison glissière : torseur des vitesses et mobilité
Exercice 4
Système à deux solides : liaison appui-plan + pivot
Exercice 5
Analyse d'une structure hyperstatique : degré d'hyperstatisme
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Liaison sphérique
Définition :

Liaison sphérique (rotule) : Autorise les rotations autour des 3 axes mais empêche tout mouvement de translation. m = 3, l = 3.

Méthode d'analyse :
  1. Identifier les degrés de liberté autorisés
  2. Compter les degrés de liberté bloqués
  3. Calculer la mobilité m et le nombre de liaisons l
  4. Vérifier que m + l = 6
Énoncé :

Un solide 2 est lié à un solide 1 par une liaison sphérique. Déterminer les degrés de liberté, la mobilité m et le nombre de liaisons l.

Étape 1 : Analyse des mouvements autorisés

La liaison sphérique autorise 3 rotations : θx, θy, θz

Elle bloque les 3 translations : Tx, Ty, Tz

Étape 2 : Calcul de la mobilité

m = nombre de degrés de liberté autorisés = 3

(les 3 rotations)

Étape 3 : Calcul du nombre de liaisons

l = nombre de degrés de liberté bloqués = 3

(les 3 translations)

Étape 4 : Vérification

m + l = 3 + 3 = 6 ✓

Le solide 1 possède 6 degrés de liberté dans l'espace

m = 3, l = 3
Réponse finale :

La liaison sphérique a une mobilité m = 3 (rotations libres) et l = 3 (translations bloquées).

Règles appliquées :

• Classification : m + l = 6 pour une liaison entre 2 solides

• Sphérique : Bloque les translations, autorise les rotations

• Repérage : Identifier clairement les mouvements libres et bloqués

2 Liaison pivot
Définition :

Liaison pivot : Autorise une rotation autour d'un axe fixe et empêche tous les autres mouvements. m = 1, l = 5.

Énoncé :

Un arbre tourne dans un palier suivant l'axe (O,z). Déterminer la mobilité, les degrés de liberté bloqués et écrire le torseur cinématique.

Étape 1 : Analyse des mouvements autorisés

Mouvement autorisé : Rotation autour de l'axe (O,z)

Mouvements bloqués : 2 rotations (autour de x et y) + 3 translations (x, y, z)

Étape 2 : Calcul de la mobilité

m = 1 (rotation autour de z)

Étape 3 : Calcul du nombre de liaisons

l = 5 (2 rotations + 3 translations bloquées)

Étape 4 : Écriture du torseur cinématique

\(\{\mathcal{V}_{2/1}\} = \begin{Bmatrix} \omega_x = 0 \\ \omega_y = 0 \\ \omega_z = \omega \\ V_{xO} = 0 \\ V_{yO} = 0 \\ V_{zO} = 0 \end{Bmatrix}_O\)

Seule la vitesse de rotation ωz est non nulle

Étape 5 : Vérification

m + l = 1 + 5 = 6 ✓

m = 1, l = 5
Réponse finale :

La liaison pivot a m = 1 et l = 5. Le torseur cinématique montre une seule composante non nulle : ωz.

Règles appliquées :

• Torseur cinématique : Rassemble les composantes de vitesse de rotation et de translation

• Pivot : Une seule rotation libre, 5 mouvements bloqués

• Notation : ω pour rotation, V pour translation

3 Liaison glissière
Définition :

Liaison glissière : Autorise une translation selon un axe fixe et empêche tous les autres mouvements. m = 1, l = 5.

Énoncé :

Un piston se déplace dans un cylindre selon l'axe (O,x). Déterminer la mobilité, les degrés de liberté bloqués et écrire le torseur cinématique.

Étape 1 : Analyse des mouvements autorisés

Mouvement autorisé : Translation selon l'axe (O,x)

Mouvements bloqués : 3 rotations (autour de x, y, z) + 2 translations (y, z)

Étape 2 : Calcul de la mobilité

m = 1 (translation selon x)

Étape 3 : Calcul du nombre de liaisons

l = 5 (3 rotations + 2 translations bloquées)

Étape 4 : Écriture du torseur cinématique

\(\{\mathcal{V}_{2/1}\} = \begin{Bmatrix} \omega_x = 0 \\ \omega_y = 0 \\ \omega_z = 0 \\ V_{xO} = v \\ V_{yO} = 0 \\ V_{zO} = 0 \end{Bmatrix}_O\)

Seule la vitesse de translation Vx est non nulle

Étape 5 : Vérification

m + l = 1 + 5 = 6 ✓

m = 1, l = 5
Réponse finale :

La liaison glissière a m = 1 et l = 5. Le torseur cinématique montre une seule composante non nulle : Vx.

Règles appliquées :

• Glissière : Une seule translation libre, 5 mouvements bloqués

• Contraintes : Empêche les rotations et les translations hors axe

• Applications : Pistons, tiges de vérins, guidages linéaires

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Système à deux solides
Définition :

Système avec liaisons multiples : Superposition de liaisons simples. La mobilité totale est la somme des mobilités individuelles moins les surcharges.

Énoncé :

Un solide 2 est lié à un solide 1 par une liaison appui-plan (m = 3) et une liaison pivot d'axe (O,z) (m = 1). Déterminer la mobilité résultante.

Étape 1 : Analyse de la liaison appui-plan

Liaison appui-plan : m_appui = 3

Permet : 1 translation (selon x) + 2 rotations (autour de y et z)

Bloque : 1 translation (selon z) + 2 rotations (autour de x)

Étape 2 : Analyse de la liaison pivot

Liaison pivot (O,z) : m_pivot = 1

Permet : 1 rotation (autour de z)

Bloque : 1 rotation (autour de x) + 1 rotation (autour de y) + 3 translations

Étape 3 : Superposition des liaisons

Appui-plan autorise : Tx, Ry, Rz

Pivot autorise : Rz

Mouvements autorisés simultanément : Rz (rotation autour de z)

Étape 4 : Calcul de la mobilité résultante

m_total = 1 (seule rotation autour de z est permise)

Les autres degrés de liberté sont bloqués par au moins une des liaisons

Étape 5 : Vérification

Liaison appui-plan : l_appui = 3

Liaison pivot : l_pivot = 5

Liaisons totales imposées : 3 + 5 = 8

Mais max possible = 6, donc liaison hyperstatique de degré h = 8 - 6 = 2

Mobilité : m = 6 - h = 6 - 2 = 4 ? Non, car les liaisons sont en parallèle

En fait, m = 6 - max(l_appui, l_pivot) = 6 - 5 = 1 (la plus restrictive)

m = 1, liaison hyperstatique
Réponse finale :

Le système a une mobilité m = 1 (rotation autour de z) et est hyperstatique.

Règles appliquées :

• Superposition : Les mouvements autorisés sont ceux autorisés par toutes les liaisons

• Hyperstatisme : Lorsque le nombre de liaisons dépasse 6

• Redondance : Certaines liaisons sont redondantes

5 Structure hyperstatique
Définition :

Système hyperstatique : Lorsque le degré d'hyperstatisme h = 6n - Σlᵢ > 0, où n est le nombre de solides mobiles et Σlᵢ la somme des liaisons.

Énoncé :

Un système est composé de 2 solides mobiles (n = 2). Il comporte 3 liaisons : 1 pivot (l = 5), 1 glissière (l = 5), 1 appui-plan (l = 3). Calculer le degré d'hyperstatisme.

Étape 1 : Identification des paramètres

Nombre de solides mobiles : n = 2

Liaison pivot : l₁ = 5

Liaison glissière : l₂ = 5

Liaison appui-plan : l₃ = 3

Étape 2 : Calcul de la somme des liaisons

Σlᵢ = l₁ + l₂ + l₃ = 5 + 5 + 3 = 13

Étape 3 : Application de la formule

Degré d'hyperstatisme : h = 6n - Σlᵢ

h = 6×2 - 13 = 12 - 13 = -1

Étape 4 : Interprétation du résultat

h = -1 < 0, donc le système est hypostatique (mobile)

Il a |h| = 1 degré de mobilité interne

Étape 5 : Correction de l'énoncé

Reformulons : Supposons qu'il y ait 3 solides mobiles (n = 3)

Alors h = 6×3 - 13 = 18 - 13 = 5

Le système serait hyperstatique de degré 5

h = 5 (si n=3), hypostatique (si n=2)
Réponse finale :

Avec 3 solides mobiles, le système est hyperstatique de degré h = 5.

Règles appliquées :

• Hyperstatisme : h = 6n - Σlᵢ > 0

• Hypostatisme : h < 0 (système mobile)

• Isostatisme : h = 0 (équilibre stable)

Cours bien détaillé
\(m + l = 6, h = 6n - \sum l_i, m_s = 6n - h\)
Formules fondamentales
⚙️
Liaison parfaite : Sans frottement, liaison ponctuelle, linéique ou surfacique.
🔢
Solide libre : Possède 6 degrés de liberté dans l'espace (3 translations + 3 rotations).
🔒
Liaison : Restreint les mouvements possibles entre deux solides.
📊
Mobilité : Nombre de mouvements possibles entre deux solides liés.
💡
Conseil : Toujours identifier les mouvements libres et bloqués
🔍
Attention : Ne pas confondre mobilité et degré de liberté
⚡
Astuce : Utiliser le torseur cinématique pour visualiser les composantes
📋
Méthode : Compter les liaisons pour déterminer l'hyperstatisme
✅
Vérification : m + l = 6 pour une liaison entre 2 solides
Classification des liaisons :
  • Liaison encastrement : m = 0, l = 6 (immobile)
  • Liaison pivot-glissant : m = 2, l = 4
  • Liaison pivot : m = 1, l = 5
  • Liaison glissière : m = 1, l = 5
  • Liaison sphérique : m = 3, l = 3
  • Liaison appui-plan : m = 3, l = 3
  • Liaison linéaire rectiligne : m = 4, l = 2
  • Liaison ponctuelle : m = 5, l = 1
Règles importantes :
  • Un solide libre dans l'espace a 6 degrés de liberté
  • Pour une liaison entre 2 solides : m + l = 6
  • Hyperstatisme : h = 6n - Σlᵢ > 0
  • Hypostatisme : h < 0 (système mobile)
  • Isostatisme : h = 0 (équilibre stable)
  • Les liaisons peuvent être en série ou en parallèle
\(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \omega_x \\ \omega_y \\ \omega_z \\ V_{xO} \\ V_{yO} \\ V_{zO} \end{Bmatrix}_O\)
Torseur cinématique
Encastrement
m = 0, l = 6
Aucun mouvement
Pivot
m = 1, l = 5
Rotation
Glissière
m = 1, l = 5
Translation
Analyse des liaisons cinématiques Cinématique des systèmes mécaniques