Sphère qui peut glisser - Mechanique du solide indéformable

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Mathusalem
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Sphère qui peut glisser - Mechanique du solide indéformable

par Mathusalem » 19 Jan 2010, 14:22

Bonjour.
En préparation d'un examen de méchanique, il y a un exercice sur lequel je bloque:

Soit une sphère homogène de rayon a, de masse M, roulant ou glissant sur une surface horizontale immobile.

Il faut trouver la relation entre la vitesse du centre masse (Vg) et celle du point de la boule en contact avec le support (u).

La réponse est la suivante :

où u et Vg sont vectoriels, le moment d'inertie de la sphère.

J'essaie, mais je ne comprends pas. Si la sphère roule sans glisser, alors le point en contact avec le support est immobile. Si on considère que la sphère peut également glisser, d'où diable sortent les considérations de moment d'inertie ?

Merci pour l'aide que vous pourrez m'apporter. Il se peut que la solution soit erronnée, les réponses dans la série d'exercices proposées le sont souvent.

A+



Finrod
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par Finrod » 19 Jan 2010, 17:07

The "h" in mechanic appears only in english. In french it's "Mécanique".

Sinon, sans y connaître grand chose, je devine que le centre de masse n'est pas stable à cause de forces inertielles... Car s'il était stable il bougerait à la même vitesse que le point de contact (à moin que la boule explose...).

J'ai jeté un coup d'oeil aux déf pour le fun, ça m'a rappelé pourquoi j'ai jamais dépassé 3/20 en mécanique en prépa.

Mathusalem
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par Mathusalem » 19 Jan 2010, 20:24

Donc aucune idée plus constructive ? :)

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Ben314
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par Ben314 » 19 Jan 2010, 20:32

Bonsoir,
Je te préviens, je suis une "bille" en physique, mais il me semble que :

S'il n'y as "pas de glissement", alors u=0 (c'est même plus ou moins la définition de "pas de glissement") et la vitesse de rotation de la sphère se calcule facilement,

A l'opposé, si la sphère ne tourne pas du tout (vitesse de rotation=0) alors u=Vg

Et, comme il me semble que le moment d'inertie de la sphère se calcule à l'aide de sa vitesse de rotation (par contre je sais plus quel est le calcul), qu'une telle formule existe ne m'étonne pas.

Par contre ce que je trouve suspect, c'est que les deux cas particulier sus-mentionnés n'apparaisent pas clairement dans la formule...

P.S. J'ai évidement (?) supposé que les vitesses u et Vg étaient toutes les deux dans le référentiel de la table.
Qui n'entend qu'un son n'entend qu'une sonnerie. Signé : Sonfucius

Mathusalem
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par Mathusalem » 19 Jan 2010, 22:44

Merci Ben, en effet tout ce que tu dis est juste et même ce que tu supposes est juste. Sauf qu'il n'y a pas de glissement sans frottements. C'est que ça glisse ou ça roule, et apparemment il y a un moyen général d'exprimer ces mouvements avec la même formule, mais je ne vois pas comment y aboutir..

Mathusalem
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par Mathusalem » 20 Jan 2010, 22:36

Bon, alors je suis finalement parvenu à la réponse, pour ceux que ça intéresse.

Bon, la vitesse du point de contact s'écrit comme suit :



où Vg est la vitesse du centre de masse, w la rotation eventuelle, et r le rayon de la sphere.

En appliquant le théorème du centre de masse, on a que

Ici, seule la friction agissant au point de contact agit comme force. Il n'y en a pas d'autre.
En dérivant on obtient
, car r ne varie pas en fonction du temps et et sont orthogonaux.

Par le théorème du moment cinétique, on sait que

C'est à dire que la somme des moments de force (la somme n'apparait pas mais elle est implicite) est égale à l'accélération angulaire fois le moment d'inertie en ce point (j'ai choisis g).
Un moment de force par rapport à un point g est défini comme la distance orthogonale entre ce point et le point d'application de la force, fois cette force. En l'occurence, la seule force dans ce problème est la force de friction qui agit contre le sens de rotation et qui s'applique au point de contact(sans friction, elle ne pourrait pas rouler !). Par conséquent, vu du point G, le moment de force Mg est

Mg = rF = rMa = rMVg

On a donc par le th. du moment cinétique

En substituant, on conclut donc



EDIT: Pour un schéma : Dessinez un cercle, avec un point G au milieu, un point de contact A, et une force F de fricton partant de A dans le sens que vous désirez (en effet, dans quelle sens tourne la boule ? Choisissez!)
EDIT2: Aux puristes, je n'ai pas utilisé la notation vectorielle dans la dernière partie, je sais, alors qu'on ne vienne pas me dire qu'on aura tout vu ;)

 

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