CINETIQUE DES SYSTEMES MATERIELS

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CINETIQUE DES SYSTEMES MATERIELS

Sciences Indusrielles, Kinetic Systems · lab

Sciences Indusrielles

TD 1 : Enoncé

CINETIQUE DES SYSTEMES MATERIELS

BALANCE GYROSTATIQUE DE KELVIN

1 DESCRIPTION

Le mécanisme dont le schéma cinématique est donné sur la figure 1 représente une balance gyrostatique

constituée de 5 solides S1, S2, S3, S4, et S5.

Les liaisons entre les différents solides

sont données ci dessous :

1

r

)z,A(

1

L50: Pivot glissant d’axe

L34 : Pivot d’axe

L35 : Pivot d’axe

L10 : Pivot d’axe

L21 : Pivot d’axe

L23 : Pivot d’axe

r

)x,A(

3

r

)y,A(

1

r

)z,O(

0

r

)y,O(

1

r

)y,B(

1

2 PARAMETRAGE

Le paramétrage angulaire du est

donné sur la figure 2.

Le paramétrage vectoriel est donné ci

dessous :

→

OB

→

AG

=

r

2za2

r=

3xa

=θ

1

r=

1zz

→

AB

=

r

3xa2

→

OA

π

2

θ−

3

O

A

3x

4

2z

1x

2

B

5

1z

Figure 1 : Schéma cinématique

y1

y0

x2

x1

x1

x0

ψ

z3

z1

θ1

z0=z1

x3

x1

y1=y3

z

θ

y1=y2

z4

z3

y

φ

x4=x3

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Tous droits de l’auteur des œuvres réservés. Sauf autorisation, la reproduction ainsi que toute utilisation des œuvres autre que la

Jacques AÏACHE – Jean-Marc CHÉREAU

 EduKlub S.A.

consultation individuelle et privée sont interdites.

Sciences Indusrielles

TD 1 : Enoncé

CINETIQUE DES SYSTEMES MATERIELS

3 CARACTERISTIQUES D’INERTIE DES SOLIDES

lide

So

Ba

rre

1S

Ba

rre S2

Ba

rre S3

Vo

lant S4

M

Centre

asse

d'inertie

Caractéristiques d'inertie

OG

1

1G avec

r=

za

1

2G

(O,rz1)

3G

G

C1: moment d’inertie de S1 autour de l’axe

Barre homogène longueur 2a

Barre homogène longueur 2a

Matrice d’inertie du volant 4, au point G,

exprimée dans la base B4

[

)4,G(I

=

]

A

4

0

0

0

0

B

0

BB0

4

4

4

4 TRAVAIL DEMANDE

Question 1 : Déterminer les éléments de réduction, exprimés dans le repère R3, au point G, du

torseur cinématique du solide 4 dans son mouvement par rapport à R0.

Question 2 : Ecrire le vecteur

Γr

)R/G(

0

accélération du point G par rapport au repère R0.

Question 3 : Déterminer les éléments de réduction, au point G, du torseur cinétique du solide 4

dans son mouvement par rapport à R0.

Question 4 : Déterminer les éléments de réduction, au point G, du torseur dynamique du solide 4

dans son mouvement par rapport à R0.

Question 5 : Déterminer l’énergie cinétique du solide 4 dans son mouvement par rapport à R0.

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TD 1 : Correction

CINETIQUE DES SYSTEMES MATERIELS

BALANCE GYROSTATIQUE DE KELVIN

Question 1 : Déterminer les éléments de réduction, exprimés dans le repère R3, au point G, du

torseur cinématique du solide 4 dans son mouvement par rapport à R0.

Par définition

Calcul de

Ωr

)R/4(

0

r

Ω

)R/4(

0

donc

Calcul de

r

)R/4,G(V

0

{

V

}

G)R/4(

0

=

)R/4(

0

r

 Ω

r

)R/4,G(V

0

r

Ω=

)R/R(

0

4

r

Ω=

)R/R(

3

4

r

Ω+

)R/R(

1

3

r

Ω+

)R/R(

0

1

r

Ω

)R/4(

0

r

θ+ϕ=

x

3

1

r&

y

&

r

=ψ+

z

&

1

3

θ

1

=

ψ−ϕ

sin

&

&

θ

&

1

cos

ψ

&

θ

1

ψ−ϕ

&

&

θ−

&

sin

ψ

&

cos

θ

θ

B

3

r

=

)R/G(V)R/4,G(V

0

r

0

=

→

OGd

dt

0R

avec

→

OG

→

OB

+

→

BG

=

=

za2

r −

2

r

xa

3

d'où

r

)R/G(V

0

=

a2

r

zd

2

dt

)

r

∧ψ+

z

1

&

−

a

r

xd

3

dt

R

0

r&

θ=

x

2

ψ+

&

sin

r

θ

y

2

R

0

r

z

2

(

r&

θ

y

2

(

r&

θ

y

1

2

)

r

∧ψ+

z

1

&

r

x

3

r&

θ=

z

ψ+

&

sin

3

r

θ

y

3

or

r

zd

2

dt

r

xd

Publicité

3

dt

R

0

R

0

=

=

soit

r

)R/G(V

0

=

=

=

[

r&

θ

ψ+

xa2

&

2

]

+θ−θ

)

]

+θ

1

2sin

[

r

θ

a2x

cos(

&

3

[

r

θ

a2x

&

3

]

r

θ

sin

y

2

[

r

ψ

ay

sin

&

3

[

r

ψ

ay

&

3

[

r&

θ−

za

]

+θ

]

+θ

sin

]

ψ+

sin

&

3

[

r

θ

a2z

&

3

[

r

θ

a2z

&

3

cos

sin(

r

θ

y

3

θ−θ−θ

)

&

]θ−θ

a

&

2

a

1

]

r

)R/G(V

0

=

−

a4

θ

θ

sin

&

ψ

a

&

θ

sin

&

sin

2

a4

θ

cos

θ

θ+θ

a

&

R

3

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TD 1 : Correction

CINETIQUE DES SYSTEMES MATERIELS

Question 2 : Ecrire le vecteur

Γr

)R/G(

0

accélération du point G par rapport au repère R0.

r

=

)R/G(V)R/4,G(V

0

r

0

=

→

OGd

dt

0R

r

Γ

)R/G(

0

=

r

Γ

)R/G(

0

=

soit

r

)R/G(Vd

0

dt

0R

=

r

)R/G(Vd

0

dt

3R

r

Ω+

∧

)R/G(V)R/R(

0

3

0

r

a4

θ

&&

sin

θ

cos

+θ

a4

θ

&

2

ψ−θ−θ

2

&

&

a

a

2

sin

2

θ

2

cos

ψ

a

&&

2

sin

sin

θ

−θ

2

2

sin

+θ

θ

a4

&

θψ+θ

a

cos

&&

ψ−θ+θ

a

&&

&

θ

a4

&

ψθ+θ

a

&&

sin

a

2

cos

2

2

sin

θ

cos

θ

cos

−

a4

θ

&&

sin

2

θ−θ

a8

&

+θ

a4

θ

&

2

sin

θ

cos

θ

R

3

r

Γ

)R/G(

0

=

a4

θ

&&

sin

θ

−

a4

θ

&&

sin

2

−θ

cos

ψ

a

&&

θ

a4

&

−θ

2

2

2

θ

&

ψ−θ

a

&

θ

a4

sin

θψ+θ

&&

a2

cos

ψ−θ+θ

a

&&

&

cos

θ

a

sin

2

sin

2

θ

sin

2

sin

θ

cos

θ

R

3

Question 3 : Déterminer les éléments de réduction, au point G, du torseur cinétique du solide 4

dans son mouvement par rapport à R0.

Par définition,

{

}

G)R/4(C

0

=



r

σ

r

)R/G(Vm)R/4(P

0

=

r

4

0

)R/4,G(

0

=

[

]

R)4,G(I

3

[

r

Publicité

Ω

]

R)R/4(

0

3

Calcul de

r

)R/4(P

0

Calcul de

σr

)R/4,G(

0

r

m)R/4(P

0

=

4

cos

θ

θ

a4

θ

sin

&

ψ

a

&

−θ

sin41(a

&

sin

2

θ

)

θ

R

3

r

σ

)R/4,G(

0

=

[

)4,G(I

]

3R

[

r

Ω

)R/4(

0

]

3R

[

σr

)R/4,G(

0

]

=

A

4

0

0

0

0

B

0

4

B0

3R4

ψ−ϕ

&

&

θ−

&

sin

ψ

&

θ

cos

θ

3R

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TD 1 : Correction

d’où

CINETIQUE DES SYSTEMES MATERIELS

(A

4

r

σ

)R/4,G(

0

=

ψ−ϕ

&

&

−

B

ψ

&

cos

θ

&

4

sin

θ

4

B

θ

)

R

3

Question 4 : Déterminer les éléments de réduction, au point G, du torseur dynamique du solide 4

dans son mouvement par rapport à R0.

Par définition,

{

}

)R/4(D

0

G

=

r

δ

r

=

)R/G(m)R/4(R

0

r

Γ

d

0

4

)R/4,G(

0

=

d

dt

[

r

σ

]

R)R/4,G(

0

0

Calcul de

δr

)R/4,G(

0

Calcul de

δr

)R/4,G(

0

Si on pose

r

m)R/4(P

0

=

4

cos

θ

θ

a4

θ

sin

&

ψ

a

&

−θ

sin41(a

&

sin

2

θ

)

θ

R

3

r

δ

)R/4,G(

0

=

dP

dt

r

x

3

+

r

y

dQ

dt

avec

r

σ

=

)R/4,G(

0

+

dR

dt

r

z

+

3

3

[

r

xP

P

r

+

yQ

3

r

xd

Rdt

3

]

r

zR

3

r

yd

Rdt

Q

3

+

+

3

0

+

R

3

r

zd

Rdt

0

0

r

xd

3

dt

r

yd

3

dt

r

zd

3

dt

R

0

R

0

R

0

r

δ

)R/4,G(

0

=

=

(AP

4

(

r&

θ

y

=

1

θ

ψ−ϕ

&

&

cos

)

r

∧ψ+

z

1

&

2

Q)

−=

B

4

θ

&

BR

ψ=

&

4

sin

θ

r

x

3

=

r&

θ

z

3

ψ+

&

sin

r

θ

y

3

=

=

(

r&

θ

y

1

2

)

r

Publicité

∧ψ+

z

1

&

r

y

3

r

ψ−=ψ−=

x

&

&

1

sin

r

θ

x

3

ψ−

&

cos

r

θ

z

3

(

r&

θ

y

1

2

)

r

∧ψ+

z

1

&

r

z

3

=

r&

θ−

x

3

ψ+

&

cos

r

θ

y

3

ψ−ϕ

cos

(A

&&

&&

4

ψ−ϕ

(A

&

&

4

ψ−ϕ

cos

&

&

θψ+θ

&&

ψθ

)

cos

&

+θθ

&

)

(A

4

sin

sin

−

θ

)

−θ

B

ψθ

&&

4

cos

B

B

+θ

ψθ

&&

sin

4

ψ+θ

&&

B

&

4

4

ψ

+θ

sin

&&

(B

4

ψθ

&&

4

θ

cos

sin

θψ+θ

&&

B

2

θ

sin

θ

cos

θ

)

R

3

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CINETIQUE DES SYSTEMES MATERIELS

r

δ

)R/4,G(

0

=

A

ψϕ

&&

4

(A

4

θψ+θ

&&

−

ψ−ϕ

(A

cos

&&

&&

4

+θ

−θ

B

&&

4

+θθ

)

&

cos

B(

4

ψ

&&

(B

4

sin

sin

ψ−ϕ

&

&

sin

θ

)

2

θ

ψ

)A

sin

&

4

θψ+θ

2

&&

cos

cos

θ

)

θ

R

3

Question 5 : Déterminer l’énergie cinétique du solide 4 dans son mouvement par rapport à R0.

Par définition,

soit

)R/4(T

0

=

1

2

{

)R/4(V

0

} {

⊗

})R/4(C

0

)R/4(T

0

=

1

2

r

2

)R/4,G(Vm

0

[

1

r

t

Ω+

2

)R/4(

0

]

3R

[

)4,G(I

]

3R

[

r

Ω

)R/4(

0

]

3R

)R/4(T

0

[

a16m

1

2

=

+

2

2

θ

&

sin

2

θ

2

cos

ψ+θ

a

&

2

2

sin

2

+θ

2

2

θ

&

a

[

(A

4

1

2

ψ−ϕ

&

&

cos

+θ

2

)

B

4

2

ψ+θ

B

&

&

4

2

+

sin41(

]θ

2

sin

]

2

2

θ

)

)R/S(T

=

[

B

4

2

θ

&

2

+

2

16(ma

sin

2

θ

2

cos

++θ

sin41(

2

θ

2

))

]

+

2

ψ

&

2

[

B(

4

+

2

sin)ma

2

+θ

A

4

2

cos

]

θ

+

1

2

A

−ϕ

2

&

4

A

ϕψ

&&

4

cos

θ

Finalement,

)R/S(T

=

[

B

4

2

θ

&

2

+

2

1(ma

+

24

sin

2

]

+θ

)

[

B(

4

2

ψ

&

2

+

2

sin)ma

2

+θ

A

4

2

cos

]

θ

+

1

2

A

−ϕ

2

&

4

A

ϕψ

&&

4

cos

θ

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