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Niveau maths sup
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dm de mécaniqe

Posté par
rosaria
24-12-18 à 18:46

Bonjour, je suis bloqué à cet exercice de mécanique pourriez-vous m'aider?

énoncé:

Une échelle double se compose de deux échelles simples AO et BO de même longueur L, de centres d'inertie G1 et G2 (respectivement), de même masse m, articulées sans frottement au sommet commun O (liaison pivot parfaite d'axe Oz).
On note 2alpha l'angle au sommet des deux échelles. Ces deux échelles sont en appui sur le sol en A et B. On note f le coefficient de frottement entre les échelles et le sol.
Une personne de masse M monte l'échelle AO. Elle se situe au point H de la figure ci-dessous (sachant que la longueur AH est notée a).
1) Déterminer les efforts exercés en A, B et O lorsque l'échelle est en équilibre en fonction de m, M, a, L et alpha .
2) Exprimer la condition d'adhérence en A et B.
3) En déduire lequel des deux points de contact est susceptible de glisser en premier si on fait varier l'angle alpha.
4) Dans le cas où la masse de l'échelle est négligeable devant la masse de l'utilisateur (M ≫ m), quel est l'angle maximal d'ouverture de l'échelle (α) pour que la personne puisse monter jusqu'en haut sans risque ?  

mes recherches:
j'ai terminé le BAME de la question 1 mais j'ai un soucis pour mettre tous les moments au point O, ce soucis c'est comment faire la figure de calcul avec l'angle alpha
pourriez vous m'aider à continuer?

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 01:40

Bonsoir
Si tu pouvais scanner et poster ici le schéma avec les différents vecteurs force, il serait plus facile de t'aider efficacement ensuite.

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 12:11

Voici  le schéma

dm de mécaniqe

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 17:33

Excellent schéma !
Tu peux d'abord choisir comme système l'échelle double et lui appliquer les lois de la statique. La résultante des vecteur forces est le vecteur nul.
La projection sur un axe horizontal de cette relation te donne une relation simple entre TA et TB
La projection sur un axe vertical te donne simplement la somme NA+NB.
Le fait que l'échelle ne tourne pas autour d'un axe perpendiculaire au plan de figure passant par A te donne simplement NB par application du théorème des moments statiques. Tu en déduis ensuite simplement NA.
Pour la suite, il faut appliquer les lois de la statique à l'échelle OB ou à  l'échelle OA.

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 17:38

Jusqu'à  maintenant jessai de isoler OA puis OB apres avoir fait le BAME  mais au moments de calculer les moments je bloque  sur comment faire les figures de calculer et plus précisément  placé  langle dessus

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 18:16

As-tu réussi à faire ce que je t'ai conseillé ? Qu'obtiens-tu ?

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 18:29

Non,car je nai pas vraiment compris
Désolé
Ce que jessayais de faire cest ce que notre prof nous  a dit de faire poir resoudre le problème

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 18:56

Je ne sais pas ce que tu appelles le BAME !
Dans un premier temps, écris que la somme vectorielles de toutes les actions extérieures à l'échelle double est le vecteur nul et projette sur un axe horizontal puis sur un axe horizontal.

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 19:05

ce que j'appelle le BAME c'est le bilan des actions mecaniques extérieurs
c'est à dire appliqué à OA:
il y a 4 actions:
-gravité sur échelle
-gravité sur l'homme
-sol sur échelle
-liaison pivot en O
et pour ces 4 actions j'ai écrit les torseurs correspondant

je ne vois pas comment écrire la somme vectorielle sur l'échelle double

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 19:18

Non ! Et c'est toute l'astuce de la méthode : si tu choisis comme système l'échelle double : les actions en O sont considérées comme des actions intérieures et n'ont pas à être prises en compte.
Pour étudier les actions en O, il faut étudier une échelle seule comme je l'ai expliqué dans mon premier message.

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 19:34

ce que j'ai écris la concerne une échelle seule OA
pour l'échelle double du coup ce serai donc je pense:
-gravité sur échelle(*2)
-gravité sur l'homme
-sol sur échelle(*2)

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 22:34

Non plus !
Si tu choisis comme système la seule échelle OA, il faut, aux forces que tu cites, ajouter l'action de l'échelle OB.
Pourquoi ne veux-tu pas suivre l'ordre logique que je t'ai indiqué dans mon premier message ?

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 22:36

ce n'est pas que je ne veux pas le suivre au contraire je ne comprends tout simplement pas comment le faire

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 25-12-18 à 23:23

Juste pour te mettre sur la voie ; je choisis, dans un premier temps, comme système, l'échelle double. Les actions extérieures appliquées sont :
Les poids des échelles
l'action de l'homme égale à son poids
les actions du sol en A et en B.

Principe fondamental de la statique :

\overrightarrow{N_{A}}+\overrightarrow{T_{A}}+\overrightarrow{N_{B}}+\overrightarrow{T_{B}}+M.\overrightarrow{g}+2m.\overrightarrow{g}=\overrightarrow{0}

projection sur un axe horizontal :

T_{A}=T_{B}

Projection sur un axe vertical :

N_{A}+N_{B}=\left(M+2m\right).g

La somme des moments en A de ces forces est nulle. Je te laisse faire le calcul. Tu vas obtenir NB. Puisque tu as entendu parler de torseur, tu sais sûrement calculer les différents moments...
Je trouve tout de même cet exercice un peu difficile pour ton niveau...

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 10:03

D'accord
La tu me dis que la somme des moments en A est nulle mais vu que le système  cest toute  lechelle cest le cas aussi en les autres points non?
Pour le calcul du moment en A  normalement je sais le faire mais jai  un probleme je narrive pas a faire la figure de calcul qui vas avec cest a dire  placé  langle alpha sur la figure de facon a trouver  les angles correct quand je fais le produit vectoriel

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 10:54

Voici la figure ou je ne sais pas placé  alpha:

dm de mécaniqe

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 12:09

Il est exact qu'en statistique, la somme des moments des actions extérieures est nulle en tout point. C'est en choisissant le point A qu'il est facile d'obtenir l'expression de NB.

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 12:25

d'accord pour ce qui est de l'angle alpha je le placerai entre x et x1  c'est ca ou pas du tout?

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 14:09

La verticale passant par O est la bissectrice de l'angle 2 en O. Tu retrouves donc l'angle entre x1 et y.

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 14:16

D'accord  
En soit plus je reflechi plus jai limpression que enfaite chaque angle  fait alpha

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 16:38

J'explique  ma pensée  avec ce schéma :
Desole si  je pose autant de questions , je veux juste  sortir de ce dm en ayant compris  car a la rentrée  j'ai  un ds de mécanique  qui risque  de ressembler a ca sur le principe

dm de mécaniqe

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 21:30

Ce schéma pourrait t'aider. Bien sûr :
+=90°

dm de mécaniqe

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 21:40

je suis tout a fait d'accord avec le schéma du coup pour les calculs je dois prendre l'angle alpha non?

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 21:44

L'énoncé fournit l'angle . Les résultats doivent faire intervenir . Tu peux utiliser comme intermédiaire de calcul. Comme ces deux angles sont complémentaires, le sinus de l'un est égal au cosinus de l'autre.
Quelqu'un qui a eu un cours sur la notion de torseur sait nécessairement calculer le moment d'une force...

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 21:46

du coup je calcul les moments en A des différentes actions avec la relation de Varignon et je dis que la somme de ces moments est nuls et donc j'ai une équation selon z dans laquelle je dois isoler Nb c'est bien ça?  
une fois que j'aurais calculé exprimer ca je dois en déduire Na ou je peux pas encore ?
ensuite, je dois isoler une seule échelle?

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 22:09

Le calcul du moment donne NB. La relation fondamentale de la dynamique t'as fourni précédemment la somme NA+NB...
Que vient faire la formule de Varignon dans un problème de statique ? Il s'agit ici de moments de forces par rapport à un point ou par rapport à un axe....
Je refuse de te fournir directement une solution car il existe plusieurs façons de calculer ces moments de forces et sans connaître la méthode de ton cours, je risque de t'embrouiller...

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 22:15

pour les moments en A:
pour l'homme(H): -Mgcos

pour la gravité sur OA:-mgL/2*cos

pour la gravité sur OB: (Lmg*cos-Lmg/2sin)

pour l'action du sol sur le coté OB: (LTbsin+LNbsin)

pour l'action du sol sur OA c'est 0

ensuite, la somme de tous ça=0
donc: -Mgcos-mgL/2*cos+Lmg*cos-Lmg/2sin+LTbsin+LNbsin=0

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 22:29

Quelques erreurs : la distance a = AH doit intervenir pour le moment du poids de l'homme.
Le moment de TB en A est nul (revoir le cours). La distance AB vaut 2L.sin()

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 22:41

désole pour l'homme j'ai fait une faute de transcriptions j'ai -Mga cos
pourquoi Tb serais nul je veux dire le moment est nul en son points d'application qui est pour moi B
oui la distance AB fait 2Lsin alpha je bloque sur le calcul je pense je vais essayer de voir mes erreurs

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 22:46

Selon moi :

M.g.a.\sin\left(\alpha\right)+m.g.\frac{L}{2}.\sin\left(\alpha\right)+m.g.\left[2L.\sin\left(\alpha\right)-\frac{L}{2}.\sin\left(\alpha\right)\right]-N_{B}.2L.\sin\left(\alpha\right)=0

Je te laisse simplifier et vérifier. Il pourrait être intéressant de faire apparaître le rapport k=\frac{a}{L} ...

La ligne d'action de la force TB passe par le point A. Son moment en A est donc nul. Revois ton cours sur la notion de moment.

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 26-12-18 à 22:53

Ok tres bien
Je regarderai  et continuerai demain matin
Pk tu as des sin partout  alors que jai quasiment  que des cos
Cest  pas -cos = sin?

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 10:42

je viens de regarder j'ai réussi à retrouver quasiment tous les éléments sauf 1 qui est mg 2Lsin alpha

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 11:05

J'ai juste écrit que le "bras de levier" du poids de l'échelle OB est égal à la distance de A à la verticale passant par G2. Cette distance est la différence entre la distance AB et la distance de B à la verticale passant par G2.
Remarque : la somme des moments des deux poids des deux échelles peut aussi s'obtenir en considérant que le poids total de l'échelle double est 2mg et que le centre de gravité G de l'échelle double est le milieu du segment G1G2.

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 11:56

ok pour Nb j'ai trouvé (Ma/2L+m)g et pour Na j'ai déduis Na=g(M+m+MA/2L)

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 12:27

ensuite j'ai isolé OA :
j'obtiens selon x: Ta + X21=0
selon y: -mg-Mg+Na+Y21=0
et  pour les moments je les ai mis au point O :
-Lmg/2sin +Mg(L-a)sin +LTasin+LNasin

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 13:10

D'accord avec ton expression de NB. Ensuite : étourderie de copie ou erreur de signe : je ne sais pas. La somme NA+NB a une expression simple qui n'est pas vérifiée avec ton expression de NA.
Ensuite : tu as isolé OA : pourquoi pas mais il est plus simple d'isoler OB car il y a une force en moins à prendre en compte.
Attention : le moment de TB comme celui de TA fait intervenir L.cos().

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 13:44

je viens de regrader a nouveau mes calculs et en effet j'ai fait une erreur de signe
j'obtiens Na=g(M+m-Ma/2L)
j'ai isolé OB:
selon x: -Tb-X21=0
selon y: Nb-Y21=0
pour les moments en 0 :
-mgL/2sin+TbLsin+NbLsin=0

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 13:48

pour le moment en O:
je pense avoir fait une erreur:
je viens de le refaire j'obtiens maintenant: LNbsin

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 13:49

désolé:-mgL/2sin+ LNBsin

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 16:21

après une longue réfléxion j'ai trouvé Tb=g(-Ma/2L-m+m/2) et donc Ta est égale à la même chose
Y21=Nb trouvé précédemment
et -X21=Tb
la je crois que la question 1 est terminé non?
pour la 2 c'est la loi de coulomb:
condition d'adhérence: norme vecteur tangentielle f * norme vecteur normale
pour la 3 par contre je ne vois pas comment y répondre

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 16:43

Effectivement :

N_{B}=\left(m+\frac{M.a}{2L}\right)\cdot g\quad;\quad N_{A}=\left(m+M-\frac{M.a}{2L}\right)\cdot g

On isole maintenant l'échelle OB :
Théorème des moments statiques en O :

m.g.\frac{L}{2}.\sin\left(\alpha\right)+T_{B}.L.\cos\left(\alpha\right)-N_{B}.L.\sin\left(\alpha\right)=0

En remplaçant NB par la valeur ci-dessus, on obtient :

T_{B}=T_{A}=\frac{1}{2}g.\tan\left(\alpha\right)\cdot\left(m+\frac{M.a}{L}\right)

En supposant la liaison pivot en O parfaite, l'action de l'échelle OA sur l'échelle OB est équivalente à une force F de vecteur :

\overrightarrow{F}=F_{x}.\overrightarrow{x}+F_{y}.\overrightarrow{y}

Équilibre de l'échelle OB :

\overrightarrow{F}+m.\overrightarrow{g}+\overrightarrow{N_{B}}+\overrightarrow{T_{B}}=\overrightarrow{0}

F_{x}=T_{B}=\frac{1}{2}g.\tan\left(\alpha\right)\cdot\left(m+\frac{M.a}{L}\right)

F_{y}-m.g+N_{B}=0\quad;\quad F_{y}=-M.g\cdot\frac{a}{2L}

Principe des actions réciproque (appelé aussi principe de l'action et de la réaction) : l'action de l'échelle OB sur l'échelle OA est équivalente à une force F' telle que :

\overrightarrow{F'}=-\overrightarrow{F}

Je te laisse continuer ; la suite est plus facile.

Pour 3 : puisque TA=TB et que NA>NB il est assez facile de prévoir laquelle des deux échelles va commencer la première à glisser en premier pour 0<a<L.

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 17:28

pour l'équilibre OA: -1/2g tan
pour la question 3 c'est donc le point de contact B qui glissera en premier
pour la question 4 je vois pas trop

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 18:03

ha aussi je me demandais pourquoiles cos on les as mis en sin et la on doit laisser le sin?

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 18:06

Pour que l'homme puisse grimper sans risque, tu dois avoir , quel que soit a tel que :

0\leq a\leq L :

T_{A}\leq f.N_{A}\quad et\quad T_{B}\leq f.N_{B}

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 18:25

ok je vais regarder pour la question 4
j'ai 2 petites questions pour avoir parfaitement compris la question1:
la premiere: pourquoi on transforme des cos en sin puis apres on laisse le cos
la deuxième: enfaite quel était le but précis de la question je veux dire les effort exercés ça veut dire quoi par rapport à tous ce que on a calculé?

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 18:37

L'action d'un corps sur un autre est aussi appelée, surtout en sciences industrielles, effort et est décrite par un torseur. Lorsque ce torseur est un glisseur (pas un couple), on peut utiliser le mot force à la place d'effort ou d'action.
Le but final de ce problème est de pouvoir répondre à la question 4. Pour cela, il faut nécessairement avoir avant déterminé les actions normales et tangentielles du sol en A et en B. Le calcul des actions en O n'est pas utile au reste du problème. Peut-être s'agit-il juste de tester les connaissances sur le principe des actions réciproques ?
Peut-être te serait-il utile de bien revoir les définitions des fonctions trigonométriques et leurs applications au triangle rectangle.

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 20:06

je ne vois pas comment faire la 4, je veut dire on ne connais pas f

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 21:18

On demande sans doute uniquement un raisonnement littéral...

Posté par
rosaria
re : dm de mécaniqe 27-12-18 à 21:26

je vois pas comment le faire littéralement ...

Posté par
vanoise
re : dm de mécaniqe 28-12-18 à 00:09

Comme tu as déjà montré que le glissement risque de se produire d'abord en B, il suffit de vérifier que, quel que soit a compris entre 0 et L :

T_{B}\leq f.N_{B} soit :

\frac{1}{2}g.\tan\left(\alpha\right)\cdot\left(m+\frac{M.a}{L}\right)\leq f.\left(m+\frac{M.a}{2L}\right)\cdot g

En négligeant m devant M, cela conduit simplement à :

\tan\left(\alpha\right)\leq f\quad soit\quad\alpha\leq\arctan\left(f\right)
Plus l'angle en O entre les deux échelles est grand, plus le risque de glissement est grand.

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