Culbuto et centre de gravité

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BorisG
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Culbuto et centre de gravité

par BorisG » 19 Mai 2014, 16:28

Bonjour,

Il me faudrait quelques renseignements sur la manière de calculer un centre de gravité sur un objet "complexe" ... afin de pousser le principe du Culbuto à son maximum !

je cherche a réaliser un objet qui aurait la forme d'un stylo mais qui pourrait tenir tout seul debout sur le même principe que le culbuto.

je joint donc un shéma illustrant l'idée (dimensions et poids) ainsi que mes questions

Image

=>

2g pour la demi-sphère (rayon 5,1mm poids réparti 1,5mm sous le centre)
0,5g pour le cylindre (rayon 5,1mm, 180mm de haut)
0,2g pour la masse au sommet (sphère rayon 4,75mm)

mes 3 questions restent toujours les mêmes:

1: l'objet peut -il tenir de manière verticale stable ?
2: jusque quelle inclinaison peut on le pencher avant qu'il ne tombe (ou pour qu'il se remette tout seul à la verticale) ?
3: pour rendre l'objet stable quel devrait être le poids de la demi sphère sans changer le poids et les proportions des autres composants ?


Il semblerai que d'une manière ou dune autre, le centre de gravité doit forcément se situer sous le centre de courbure (centre de la sphère) ?


Merci de l'attention que vous porterez à mes questions !



Mathusalem
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par Mathusalem » 20 Mai 2014, 12:23

J'ai fait le calcul. Je suis paresseux, donc je vais exposer le principe vite-fait.

Pour une demi-sphère posée sur son côté rond, remplie entièrement, le centre de masse se situe à une hauteur , sur le centre de symétrie (au milieu), où R désigne le rayon de la sphère.

Pour un tube, par symétrie, le centre de masse se situe en son centre. Si le tube a une hauteur h, son centre de masse se situe à une hauteur .

Le centre de masse est une quantité additive. En d'autres termes, le centre de masse de l'objet composite peut se calculer en 'moyennant' les deux centres séparement.



Où M_s désigne la masse de la sphere, M_t désigne la masse du tube, M_{haut} la masse au sommet, et (R+h/2) parce que le tube est surélevé par rapport au sol d'une hauteur R. J'ai pris le centre de la sphere du sommet à une hauteur R+h.

Stabilité
C'est un argument intuitivement simple avec un dessin et de la géométrie. Le calcul peut se faire, mais il est pénible (j'ai essayé), et je connais pas ton bagage mathématique. Donc avant de mettre une page de calculs, je préfère te donner le concept :

Pour que l'objet composé de la sphère + tube revienne tout le temps en son milieu (qu'il soit stable), il suffit que son centre de masse se situe à une hauteur inférieure à R. Autrement dit, ta condition de stabilité, c'est



En regardant l'expression ci-dessus, tu vois que plus ta sphère est lourde, plus l'expression se rapproche de z_cm = 5/8R, qui satisfait à ta condition.



Si tu insistes pour que ta sphère ne soit pas entièrement remplie, je peux refaire le calcul, mais mon instinct me dit qu'il sera plus dur de satisfaire la condition de stabilité.

Si ta demi-sphère était pleine, le calcul montre que ton objet n'est pas stable. Il te faudrait une demi-sphère de 43 grammes pour satisfaire la stabilité.

A+

BorisG
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par BorisG » 20 Mai 2014, 16:06

Merci Mathusalem !

si j'ai bien compris, plus mon centre de gravité sera sous le rayon de la courbure, plus mon objet se redressera facilement ? Mais en aucun cas il fait que ce centre de gravité se situe sous le centre ?

J'ai pris en compte les différentes données que j'ai trouvé et j'ai donc modéliser l'exemple suivant via solidworks afin de trouver mes différents centres de gravité:


Image

j'ai créé une portion de cercle [ab] sur un angle de 40° de centre A (situé a 9mm de haut au lieu de 5,1) la "demi-sphère" prends une forme légèrement plus complexe afin d'e faire passer le centre de courbure plus haut. ce qui me permet d'avoir


- dans le cas 1 une masse de 8,027g dont le centre de gravité est situé a 3,8mm

Mon tube garde toujours le même diamètre. mais passe a une longueur de 169,9 mm pour un poids de 0,245g

la masse du haut passe quand a elle a une demi-sphère de rayon 5mm et de masse 0,161g




- dans le cas 2 une masse de 12,116g dont le centre de gravité est situé à 5,06mm

Mon tube garde toujours le même diamètre. mais passe a une longueur de 166 mm pour un poids de 0,239g

la masse du haut passe quand a elle a une demi-sphère de rayon 5mm et de masse 0,161g


une fois modélisé:

-dans le cas 1, le centre de gravité se trouve au dessus de A, l'objet ne peut donc pas être stable
- dans le cas 2, le centre de gravité se trouve juste sous A, ce qui signifie que l'objet peut rester stable tant qu'il reste sur la courbure [ab] (portion de sphère)

Ma théorie est elle juste ?
La forme conique peut elle être avantageuse par rapport a une forme pleine (cas 1 et cas 2) ?
Existe-t'il une forme plus optimale pour permettre à mon objet de se redresser et de se stabiliser de manière verticale ?

Mathusalem
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par Mathusalem » 21 Mai 2014, 10:36

Dans le cas 2, avec ton centre de gravite sous A, la seule chose que je peux affirmer, c est que ton objet sera stable tant que le point de contact avec le sol se trouve sur l arc [ab].

Je suis donc d accord avec ta conclusion. Il se peut que l'objet soit stable meme un peu en dehors de [ab], cela dependra de la courbure.

Pour ce qu il en est de la forme dite optimale, ce serait effectivement la demi-sphere qui est stable sur tout son bord. Le probleme est d ajuster les masses de telle maniere a ce que le centre de gravite se trouve plus bas que le centre de la sphere. Le probleme est que ton 'mat' est tres long et lourd en comparaison avec la demi-sphere du bas, et que en comparaison, la sphere tout en haut est aussi trop lourde. J ai verifie vite fait, et avec ton schema de depart, il n existe pas de materiau assez lourd pour donner le poids necessaire a ta demi-sphere du bas pour stabiliser ton objet, si tu gardes le meme mat et sphere du haut.

A+

BorisG
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par BorisG » 21 Mai 2014, 11:10

Bonjour,

via solidworks j'ai re-dessiné ma forme (abandonné le cône mais simplement surélevé la "demi sphère"de 1,5 mm) comme sur l'exemple 2

Image

(le retrait de la modélisation permet d’emmancher le tube sur la base)

- le segment AB a un rayon de 10,2mm, et la "pseudo demi-sphère" est surélevé de 1,5mm
solidworks m'en donne une masse de 6,877g (alliage cuivre tungstène, densité 1565kg/m3)

- le cylindre est donc un tube creux d'une hauteur de 166mm, masse 0,239g (plastique PE très faible, densité (SS) 905 kg/m3)

- la demi sphère du dessus est une "coupole" creuse de rayon 5mm, masse 0,161g (acier, densité 7800kg/m3)

la modélisation et le calculateur de solidworks me donnent un cnetre de gravité d'ensemble à 10,19mm, soit juste sous le centre de courbure !

mon objet doit donc tenir sur la portion [ab], mais à la limite de l'équilibre.

Ma dernière question est donc la suivante, si j'abaisse plus le centre de gravité se trouvera bas sous le centre de courbure (A), plus l'objet se redressera facilement ? mais également plus rapidement ?

(je pense que c'est possible et réduisant un peu la hauteur de mon tube, et peut être en utilisant du tungstène pur à la place de l'alliage (1925 kg/m3 au lieu de 15650 kg/m3))


en tout cas un grand merci pour la réponse à mes questions !

Mathusalem
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par Mathusalem » 21 Mai 2014, 14:08

Oui. Plus le centre de gravité est bas, plus l'objet se redressera vite.

Une méthode générale pour savoir si un point de l'objet procure un mouvement rééquilibrant :

1. Trace la normale à la courbe en ce point.
2. Trace le segment passant par ce point et le centre de gravité.

-Si le segment se trouve du côté 'intérieur' de la normale, le mouvement sera rééquilibrant
-Si le segment se trouve du côté 'extérieur' de la normale, le mouvement sera déséquilibrant

Un exemple sur le dessin
Image


Imagine l'objet dessiné à gauche. J'ai tracé deux centres de masses distincts pour différencier les cas, et deux points de contact d'intérêt.

En bleu, j'ai tracé les normales, et en rouge les segments reliant le point au centre de masse.

Sur l'image de droite, j'ai basculé l'objet jusqu'au point P1.
Si le centre de masse est Cg1, le segment [Point-Centre de masse] se trouve vers l'intérieur de la normale, et tu vois bien que le moment de force gravitationnel va ramener l'objet vers le centre.
Si le centre de masse est Cg2, le segment [Point-Centre de masse] se trouve vers l'extérieur de la normale, et tu vois bien que le moment de force gravitationnel va faire basculer l'objet vers l'extérieur.

En revanche, lorsque l'objet aura basculé vers le point P2, tu vois bien que même si le centre de masse est Cg2, à partir du point P2, l'objet rebasculera vers le centre, jusqu'au point P1, a partir duquel il rebasculera vers le point P2. Donc, pour cet objet là, si le centre de masse est Cg2, il existe plusieurs points d'équilibre : Celui complètement central, et un point entre P1 et P2, ainsi que son symétrique de l'autre côté.

Si tu veux t'assurer qu'il n'existe que le point d'équilibre central, il faut que ton profil vérifie la propriété suivante. J'appelle les composantes du vecteur [Point-Centre de masse] (vx, vy).

Tout point (x, f(x) ) (qui se situe donc sur la courbe qui définit ton profil), à gauche du centre de masse, qui satisfait à



est un point qui ramène à l'équilibre. Par symétrie, tout symétrique d'un tel point sera aussi un point ramenant vers l'équilibre.

Si tous les points de ta courbe vérifient cette propriété, et que ta courbe n'est pas une droite, pour autant que ta forme soit symétrique, le point d'équilibre sera celui au centre. La condition ci-dessus traduit le fait qu'il faut que l'angle que la normale fait avec l'horizontale soit toujours supérieur à l'angle que le segment [point-centre de masse] fait avec l'horizontale (pour autant que tu soies à gauche du centre de masse. Si t'es à droite, c'est l'inverse, mais par symétrie, vérifier à gauche automatiquement t'assure qu'à droite aussi c'est bon).

Si tu connais le profil fonctionnel des bords de ta figure, tu peux étudier effectivement jusqu'à quel point l'objet est stable. Autrement tu traces simplement machinalement plein de points sur le bords ainsi que les normales a la courbe en ces points, et tu vérifies que les segments [points-cm] se trouvent toujours vers l'intérieur des normales.

En espérant que cela t'aide,

A+

BorisG
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par BorisG » 21 Mai 2014, 14:51

Je pense avoir saisi toutes les informations dont j'avais besoin, le principe expliqué est le même que celui utilisé dans le "bodice Rocker" de SplinterWorks => http://vimeo.com/74813967

Merci pour ces réponses et le temps passé sur mes questions !

 

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