Sciences de l'ingénieur1ère

Lois de mouvement dans les liaisons
Exercices corrigés

Maîtrisez les lois de mouvement dans les liaisons : vitesses relatives, torseurs cinématiques grâce à ces 5 exercices détaillés.

Concepts & Exercices
\(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \vec{\Omega}_{S_2/S_1} \\ \vec{V}_{A \in S_2/S_1} \end{Bmatrix}_A\)
Torseur cinématique
Liaison pivot
\(\vec{\Omega} = \omega\vec{z}\)
\(\vec{V} = \vec{0}\)
Rotation
Liaison glissière
\(\vec{\Omega} = \vec{0}\)
\(\vec{V} = v\vec{x}\)
Translation
Liaison sphérique
\(\vec{\Omega} = \omega_x\vec{x} + \omega_y\vec{y} + \omega_z\vec{z}\)
\(\vec{V} = \vec{0}\)
Rotules
⚙️
Définition : Les lois de mouvement décrivent les vitesses relatives entre solides liés.
🔄
Torseur cinématique : Rassemble les vitesses de rotation et de translation.
🔒
Lois de fermeture : Les liaisons imposent des contraintes cinématiques.
📊
Application : Permet d'analyser les mouvements dans les mécanismes.
Exercice 1
Torseur cinématique d'une liaison pivot
Exercice 2
Loi de mouvement dans une liaison glissière
Exercice 3
Liaison sphérique : torseur cinématique
Exercice 4
Composition des mouvements : liaison pivot-glissant
Exercice 5
Système à deux liaisons en série : pivot + glissière
Corrigé : Exercices 1 à 3
1 Liaison pivot
Définition :

Liaison pivot : Autorise une rotation autour d'un axe fixe. La vitesse de translation de tout point de contact est nulle.

Méthode d'analyse :
  1. Identifier l'axe de rotation
  2. Écrire la vitesse de rotation
  3. Écrire la vitesse de translation (nulle pour pivot)
  4. Former le torseur cinématique
Énoncé :

Un arbre tourne dans un palier selon l'axe (O,z) avec une vitesse angulaire ω(t). Déterminer le torseur cinématique de la liaison pivot.

Étape 1 : Analyse des mouvements

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

Translations bloquées : selon x, y, z

Étape 2 : Vitesse de rotation

\(\vec{\Omega}_{S_2/S_1} = \omega(t)\vec{z}\)

Seule la rotation autour de z est possible

Étape 3 : Vitesse de translation

\(\vec{V}_{A \in S_2/S_1} = \vec{0}\)

Le point A est fixe dans la liaison pivot

Étape 4 : Torseur cinématique

\(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \omega(t)\vec{z} \\ \vec{0} \end{Bmatrix}_A\)

Ce torseur est constant en tout point de l'axe de rotation

\(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \omega\vec{z} \\ \vec{0} \end{Bmatrix}\)
Réponse finale :

Le torseur cinématique de la liaison pivot a une composante de rotation et aucune translation.

Règles appliquées :

• Pivot : Une seule composante de rotation non nulle

• Translation : Nulle pour tous les points de l'axe

• Notation : ω pour vitesse de rotation, V pour vitesse de translation

2 Liaison glissière
Définition :

Liaison glissière : Autorise une translation selon un axe fixe. La vitesse de rotation est nulle.

Énoncé :

Un piston se déplace dans un cylindre selon l'axe (O,x) avec une vitesse v(t). Déterminer le torseur cinématique de la liaison glissière.

Étape 1 : Analyse des mouvements

Translation possible : selon l'axe (O,x)

Rotations bloquées : autour de x, y, z

Étape 2 : Vitesse de rotation

\(\vec{\Omega}_{S_2/S_1} = \vec{0}\)

Aucune rotation n'est possible

Étape 3 : Vitesse de translation

\(\vec{V}_{A \in S_2/S_1} = v(t)\vec{x}\)

Seule la translation selon x est possible

Étape 4 : Torseur cinématique

\(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \vec{0} \\ v(t)\vec{x} \end{Bmatrix}_A\)

Étape 5 : Propriété du torseur

Le torseur est constant en tout point : \(\vec{V}_{B \in S_2/S_1} = \vec{V}_{A \in S_2/S_1} = v(t)\vec{x}\)

\(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \vec{0} \\ v\vec{x} \end{Bmatrix}\)
Réponse finale :

Le torseur cinématique de la liaison glissière a une composante de translation et aucune rotation.

Règles appliquées :

• Glissière : Une seule composante de translation non nulle

• Rotation : Nulle pour tous les points

• Constante : Le torseur est le même en tout point

3 Liaison sphérique
Définition :

Liaison sphérique (rotule) : Autorise les rotations autour des 3 axes. La vitesse de translation est nulle.

Énoncé :

Un solide 2 est lié à un solide 1 par une liaison sphérique au point O. Les vitesses de rotation sont ωx(t), ωy(t), ωz(t). Déterminer le torseur cinématique.

Étape 1 : Analyse des mouvements

Rotations possibles : autour des axes x, y, z

Translations bloquées : selon x, y, z

Étape 2 : Vitesse de rotation

\(\vec{\Omega}_{S_2/S_1} = \omega_x(t)\vec{x} + \omega_y(t)\vec{y} + \omega_z(t)\vec{z}\)

Étape 3 : Vitesse de translation

\(\vec{V}_{O \in S_2/S_1} = \vec{0}\)

Le point O est fixe dans la liaison sphérique

Étape 4 : Torseur cinématique

\(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \omega_x\vec{x} + \omega_y\vec{y} + \omega_z\vec{z} \\ \vec{0} \end{Bmatrix}_O\)

Étape 5 : Propriété du torseur

En un point A ≠ O : \(\vec{V}_{A \in S_2/S_1} = \vec{V}_{O \in S_2/S_1} + \vec{\Omega}_{S_2/S_1} \wedge \overrightarrow{OA} = \vec{\Omega}_{S_2/S_1} \wedge \overrightarrow{OA}\)

\(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \vec{\Omega} \\ \vec{0} \end{Bmatrix}_O\)
Réponse finale :

Le torseur cinématique de la liaison sphérique a 3 composantes de rotation et une translation nulle au centre.

Règles appliquées :

• Sphérique : Trois composantes de rotation possibles

• Translation : Nulle au point de liaison

• Formule de transport : \(\vec{V}_A = \vec{V}_O + \vec{\Omega} \wedge \overrightarrow{OA}\)

Corrigé : Exercices 4 à 5
4 Liaison pivot-glissant
Définition :

Liaison pivot-glissant : Autorise une rotation et une translation selon le même axe. m = 2, l = 4.

Énoncé :

Un solide 2 est lié à un solide 1 par une liaison pivot-glissant d'axe (O,z). La rotation a pour vitesse ω(t) et la translation v(t). Déterminer le torseur cinématique.

Étape 1 : Analyse des mouvements

Mouvements autorisés : rotation autour de z et translation selon z

Mouvements bloqués : rotation autour de x,y et translation selon x,y

Étape 2 : Vitesse de rotation

\(\vec{\Omega}_{S_2/S_1} = \omega(t)\vec{z}\)

Étape 3 : Vitesse de translation

\(\vec{V}_{A \in S_2/S_1} = v(t)\vec{z}\)

Pour tout point A appartenant à l'axe (O,z)

Étape 4 : Torseur cinématique

\(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \omega(t)\vec{z} \\ v(t)\vec{z} \end{Bmatrix}_A\)

Étape 5 : Propriété du torseur

Ce torseur est constant en tout point de l'axe : c'est un torseur couple

Le point A peut être n'importe quel point de l'axe (O,z)

Étape 6 : Application

Exemples : vis à tête carrée, tige filetée, vérin télescopique

\(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \omega\vec{z} \\ v\vec{z} \end{Bmatrix}\)
Réponse finale :

Le torseur cinématique de la liaison pivot-glissant a une rotation et une translation selon le même axe.

Règles appliquées :

• Pivot-glissant : Rotation et translation selon le même axe

• Torseur couple : Constant en tout point de l'axe

• Applications : Vis, tiges filetées, systèmes à vis-écrou

5 Liaisons en série
Définition :

Composition des mouvements : Pour des liaisons en série, on compose les torseurs cinématiques : \(\{\mathcal{V}_{S_3/S_1}\} = \{\mathcal{V}_{S_3/S_2}\} + \{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\}\).

Énoncé :

Soit un système avec trois solides S₁, S₂, S₃. S₂ est lié à S₁ par une liaison pivot d'axe (O,z) et S₃ est lié à S₂ par une liaison glissière d'axe (A,x). Déterminer le torseur cinématique de S₃ par rapport à S₁.

Étape 1 : Torseur liaison pivot (S₂/S₁)

\(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \omega_1\vec{z} \\ \vec{0} \end{Bmatrix}_O\)

Étape 2 : Torseur liaison glissière (S₃/S₂)

\(\{\mathcal{V}_{S_3/S_2}\} = \begin{Bmatrix} \vec{0} \\ v_2\vec{x} \end{Bmatrix}_A\)

Étape 3 : Changement de point pour le torseur pivot

Pour additionner les torseurs au même point, transportons le torseur pivot au point A :

\(\vec{V}_{A \in S_2/S_1} = \vec{V}_{O \in S_2/S_1} + \vec{\Omega}_{S_2/S_1} \wedge \overrightarrow{OA} = \vec{0} + \omega_1\vec{z} \wedge \overrightarrow{OA}\)

Si \(\overrightarrow{OA} = x_A\vec{x} + y_A\vec{y} + z_A\vec{z}\), alors \(\vec{V}_{A \in S_2/S_1} = \omega_1\vec{z} \wedge (x_A\vec{x} + y_A\vec{y}) = \omega_1(-y_A\vec{x} + x_A\vec{y})\)

Étape 4 : Composition des torseurs

\(\{\mathcal{V}_{S_3/S_1}\} = \{\mathcal{V}_{S_3/S_2}\} + \{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \vec{0} \\ v_2\vec{x} \end{Bmatrix}_A + \begin{Bmatrix} \omega_1\vec{z} \\ \omega_1(-y_A\vec{x} + x_A\vec{y}) \end{Bmatrix}_A\)

\(\{\mathcal{V}_{S_3/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \omega_1\vec{z} \\ v_2\vec{x} + \omega_1(-y_A\vec{x} + x_A\vec{y}) \end{Bmatrix}_A\)

Étape 5 : Simplification

\(\{\mathcal{V}_{S_3/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \omega_1\vec{z} \\ (v_2 - \omega_1 y_A)\vec{x} + \omega_1 x_A\vec{y} \end{Bmatrix}_A\)

\(\{\mathcal{V}_{S_3/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \omega_1\vec{z} \\ (v_2 - \omega_1 y_A)\vec{x} + \omega_1 x_A\vec{y} \end{Bmatrix}_A\)
Réponse finale :

Le torseur cinématique résultant combine la rotation du pivot et la translation de la glissière.

Règles appliquées :

• Composition : Addition des torseurs cinématiques

• Transport : Utiliser la formule \(\vec{V}_A = \vec{V}_O + \vec{\Omega} \wedge \overrightarrow{OA}\)

• Série : Les liaisons s'ajoutent pour limiter davantage les mouvements

Cours bien détaillé
\(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \vec{\Omega}_{S_2/S_1} \\ \vec{V}_{A \in S_2/S_1} \end{Bmatrix}_A, \vec{V}_B = \vec{V}_A + \vec{\Omega} \wedge \overrightarrow{AB}\)
Torseur cinématique et formule de transport
⚙️
Torseur cinématique : Rassemble les vitesses de rotation et de translation entre deux solides.
🔄
Lois de fermeture : Les liaisons imposent des contraintes sur les vitesses relatives.
🔒
Liaisons parfaites : Sans frottement, liaison ponctuelle, linéique ou surfacique.
📊
Composition : Pour des liaisons en série, on somme les torseurs cinématiques.
💡
Conseil : Toujours identifier l'axe de la liaison
🔍
Attention : Ne pas confondre vitesse de rotation et vitesse de translation
⚡
Astuce : Utiliser la formule de transport pour changer de point de réduction
📋
Méthode : Composer les torseurs pour les liaisons en série
✅
Vérification : La somme des mobilités doit respecter les contraintes
Lois de mouvement pour chaque liaison :
  • Liaison encastrement : \(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \vec{0} \\ \vec{0} \end{Bmatrix}\) (immobile)
  • Liaison pivot : \(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \omega\vec{z} \\ \vec{0} \end{Bmatrix}\) (rotation)
  • Liaison glissière : \(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \vec{0} \\ v\vec{x} \end{Bmatrix}\) (translation)
  • Liaison sphérique : \(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \vec{\Omega} \\ \vec{0} \end{Bmatrix}\) (rotations libres)
  • Liaison appui-plan : \(\{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\} = \begin{Bmatrix} \omega_y\vec{y}+\omega_z\vec{z} \\ v_x\vec{x} \end{Bmatrix}\) (1T + 2R)
Règles importantes :
  • Le torseur cinématique est invariant par translation le long de son axe central
  • La formule de transport permet de changer le point de réduction
  • Pour des liaisons en série : \(\{\mathcal{V}_{S_3/S_1}\} = \{\mathcal{V}_{S_3/S_2}\} + \{\mathcal{V}_{S_2/S_1}\}\)
  • Les liaisons en parallèle imposent plus de contraintes
  • La mobilité d'un mécanisme se calcule à partir des liaisons
\(h = 6n - \sum l_i, m = 6n - h\)
Calcul de mobilité et hyperstatisme
Pivot
\(\vec{\Omega} = \omega\vec{z}\)
\(\vec{V} = \vec{0}\)
Glissière
\(\vec{\Omega} = \vec{0}\)
\(\vec{V} = v\vec{x}\)
Pivot-glissant
\(\vec{\Omega} = \omega\vec{z}\)
\(\vec{V} = v\vec{z}\)
Lois de mouvement dans les liaisons Cinématique des systèmes mécaniques