Rotation d'un solide indéformable autour d'un axe fixe

دوران جسم صلب غير قابل للتشوه حول محور ثابت

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Cours complet

Contenu du cours

Disque en rotation autour d'un axe fixe : vitesse linéaire proportionnelle au rayonUn disque tourne autour de son centre O. Deux points sont repérés sur un même rayon : M sur le bord à la distance R, et M prime à mi-rayon. Le vecteur vitesse de M, tangent au cercle, est deux fois plus long que celui de M prime : la vitesse linéaire est proportionnelle à la distance à l'axe. L'accélération normale de M est dirigée vers l'axe. Un arc fléché indique le sens de rotation et la vitesse angulaire oméga, commune à tous les points.Rotation autour d'un axe fixe : même ω, vitesses différentesTous les points tournent à la même vitesse angulaire, mais plus ils sont loin de l'axe, plus ils vont viteOMM′R(a) Deux points du même solidevv′aₙω(b) Ce qui change, ce qui ne change pasω (vitesse angulaire)identique pour tous les pointsv = R·ωproportionnelle au rayonaₙ = R·ω²dirigée vers l'axe, jamais nulleaₜ = R·ω̇nulle si la rotation est uniformeUn point du bord va deux fois plus vitequ'un point à mi-rayon.
Tous les points ont la même vitesse angulaire , mais leur vitesse linéaire est proportionnelle à leur distance à l'axe : le bord va deux fois plus vite que le mi-rayon.

Solide indéformable et rotation autour d'un axe fixe

Un solide est dit indéformable (ou rigide) lorsque la distance entre deux points quelconques de ce solide reste constante au cours du temps. Un tel solide est en rotation autour d'un axe fixe lorsque cet axe reste immobile dans le référentiel d'étude et que tout point du solide non situé sur décrit un cercle de centre (projeté orthogonal de sur l'axe) et de rayon , dans un plan perpendiculaire à l'axe. Hormis les points de l'axe, tous les points du solide effectuent le même mouvement de rotation : ils balaient le même angle pendant le même intervalle de temps.

Repérage angulaire : l'abscisse angulaire

Pour repérer la position du solide, on choisit un point (hors axe) et le demi-plan mobile contenant l'axe et , que l'on compare à un demi-plan fixe pris comme référence. L'angle orienté entre ces deux demi-plans, noté , est l'abscisse angulaire du solide à l'instant . Elle s'exprime en radians (rad). La fonction constitue l'équation horaire du mouvement de rotation.

Vitesse angulaire instantanée

La vitesse angulaire instantanée mesure la rapidité de variation de l'abscisse angulaire au cours du temps :

Elle s'exprime en radians par seconde (rad/s). Si , le solide tourne dans le sens positif choisi ; si , il tourne dans le sens contraire. À un instant donné, tous les points du solide (hors axe) ont la même vitesse angulaire.

Accélération angulaire instantanée

L'accélération angulaire instantanée mesure la rapidité de variation de :

Elle s'exprime en radians par seconde au carré (rad/s²). Lorsque et sont de même signe, le mouvement est accéléré ; lorsqu'ils sont de signes contraires, le mouvement est retardé (décéléré).

Relations entre grandeurs angulaires et grandeurs linéaires

Pour un point situé à la distance de l'axe (en mètres), la vitesse linéaire a pour norme (en m/s). Le vecteur accélération de se décompose en une accélération tangentielle , liée à la variation de la norme de , et une accélération normale (centripète) , liée au changement de direction de et toujours dirigée vers l'axe. L'accélération totale est , de norme , exprimée en m/s².

Mouvement de rotation uniforme

Le mouvement est uniforme lorsque reste constante, c'est-à-dire . L'équation horaire s'écrit alors , où est l'abscisse angulaire à la date . Chaque point du solide (hors axe) décrit un cercle à vitesse linéaire constante.

Mouvement de rotation uniformément varié

Le mouvement est uniformément varié lorsque reste constante et non nulle. Les équations horaires sont et . On utilise aussi la relation indépendante du temps . Le mouvement est dit uniformément accéléré si augmente, et uniformément retardé si diminue.

Période et fréquence de rotation

La période de rotation est la durée d'un tour complet, c'est-à-dire d'un angle de rad ; elle s'exprime en secondes (s). La fréquence de rotation est le nombre de tours effectués par seconde ; elle s'exprime en tours par seconde (tr/s) ou en hertz (Hz). Pour un mouvement uniforme : et , soit encore .

📈 Figure clé

Exemple résolu 1 : Roue en mouvement uniformément varié

Une roue de rayon est en rotation autour de son axe fixe. L'abscisse angulaire d'un point de la jante est donnée par (en rad, avec en s). Déterminer la nature du mouvement, puis calculer , , et pour un point de la jante à l'instant .

Détermination de et : (rad/s) et (constante). Comme est constante et non nulle, le mouvement est uniformément varié ; de plus et sont de même signe pour , donc le mouvement est accéléré.

Calcul à : .

.

.

.

.

L'accélération normale domine très largement l'accélération tangentielle : à cette vitesse angulaire, l'accélération totale d'un point de la jante est presque entièrement centripète.

Exemple résolu 2 : Freinage d'un disque en rotation

Un disque tourne initialement à la fréquence . On le freine avec une accélération angulaire constante, et il s'arrête complètement après une durée . Calculer la vitesse angulaire initiale , l'accélération angulaire du freinage, l'angle total balayé pendant le freinage, ainsi que le nombre de tours effectués avant l'arrêt.

Conversion de la fréquence : , donc .

Accélération angulaire : le freinage est uniforme et le disque s'arrête () après , donc .

Angle balayé pendant le freinage : .

Nombre de tours : .

Vérification par la relation indépendante du temps : , ce qui confirme le résultat précédent.

🔑 Formules clés à retenir

Formules essentielles

  • — abscisse angulaire du solide (en rad), position angulaire à l'instant .
  • Vitesse angulaire : (en rad/s).
  • Accélération angulaire : (en rad/s²).
  • Vitesse linéaire d'un point à distance de l'axe : (en m/s, avec en m).
  • Accélération tangentielle : (en m/s²).
  • Accélération normale (centripète) : (en m/s²), dirigée vers l'axe.
  • Norme de l'accélération totale d'un point : (en m/s²).
  • Équation horaire du mouvement uniforme : (en rad).
  • Loi de vitesse angulaire du mouvement uniformément varié : (en rad/s).
  • Équation horaire du mouvement uniformément varié : (en rad).
  • Relation indépendante du temps : .
  • Période de rotation : (en s, pour constante).
  • Fréquence de rotation : (en tr/s ou Hz).
  • Conversion tr/min vers rad/s : .
⚠️

Astuces & Pièges à éviter

Les erreurs classiques — à lire avant les exercices !

Pièges fréquents à éviter

  • Confondre degrés et radians : toutes les formules du cours (, , etc.) exigent que soit exprimé en radians. Toujours convertir un angle donné en degrés avant tout calcul, sachant que équivalent à rad.
  • Confondre vitesse angulaire et vitesse linéaire : (en rad/s) est la même pour tous les points du solide, alors que (en m/s) dépend de la distance à l'axe. Un point plus éloigné de l'axe se déplace plus vite en norme, même si est identique pour tout le solide.
  • Mal interpréter le signe de : une accélération angulaire négative ne signifie pas nécessairement que le solide ralentit. Il faut comparer le signe de à celui de : même signe, le mouvement est accéléré ; signes contraires, il est retardé.
  • Confondre accélération tangentielle et accélération normale : traduit la variation de la norme de (elle est nulle en rotation uniforme), tandis que traduit le changement de direction de (elle n'est jamais nulle tant que le point tourne, même à vitesse angulaire constante).
  • Confondre période et fréquence : (en secondes) est la durée d'un tour, (en tr/s ou Hz) est le nombre de tours par seconde. Ce sont des grandeurs inverses l'une de l'autre, , jamais égales sauf cas particulier où s.
  • Oublier de convertir le rayon en mètres : doit toujours être exprimé en mètres dans les formules , et ; il faut penser à convertir les cm ou mm en m avant tout calcul numérique.

Questions fréquentes

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