Équilibre d'un corps solide en rotation autour d'un axe fixe

توازن جسم صلب قابل للدوران حول محور ثابت

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Cours complet

Contenu du cours

Équilibre d'une barre en rotation : deux moments opposésUne barre horizontale repose sur un pivot représenté par un triangle. Deux forces verticales dirigées vers le bas s'exercent de part et d'autre de l'axe, à des distances différentes. La force la plus proche de l'axe est la plus intense, celle qui en est la plus éloignée est plus faible : c'est le produit de chaque force par sa distance à l'axe qui doit être égal de part et d'autre. Deux cotes horizontales donnent ces distances, appelées bras de levier.Ce n'est pas la force qui compte, mais son momentUne petite force loin de l'axe équilibre une grande force près de l'axeaxeF1F2d₁d₂F₁ est plus intense mais plus proche ; F₂ est plus faible mais plus éloignée : les moments s'égalisent.
Une force faible appliquée **loin** de l'axe équilibre une force intense appliquée **près** de l'axe : c'est le produit force × bras de levier qui décide.

Pourquoi les forces ne suffisent plus

Deux forces égales et opposées portées par des droites différentes ne mettent pas un corps en équilibre : elles le font tourner. Pour décrire cette situation, la notion de force ne suffit pas — il faut une grandeur qui tienne compte à la fois de l'intensité et de l'endroit où la force s'applique. Cette grandeur est le moment.

Chacun l'a expérimenté sans le nommer : une porte s'ouvre bien plus facilement en poussant loin des gonds que près d'eux, alors que la force exercée est la même. Une clé longue desserre un boulon qu'une clé courte ne peut pas bouger.

Le moment d'une force

Le moment d'une force par rapport à un axe mesure sa capacité à faire tourner le corps autour de cet axe. Il vaut le produit de l'intensité de la force par la distance de l'axe à la droite d'action de la force. Cette distance porte le nom de bras de levier.

Le point décisif est que le bras de levier n'est pas la distance de l'axe au point d'application, mais la distance de l'axe à la droite qui porte la force — c'est-à-dire la longueur du segment perpendiculaire abaissé de l'axe sur cette droite. Confondre les deux est l'erreur centrale du chapitre.

Il en découle immédiatement qu'une force dont la droite d'action passe par l'axe a un bras de levier nul, donc un moment nul : elle ne fait pas tourner le corps, quelle que soit son intensité. C'est pourquoi pousser une porte en visant les gonds ne l'ouvre jamais.

Le moment est une grandeur signée

Une force peut faire tourner le corps dans un sens ou dans l'autre. On choisit donc un sens positif — généralement le sens trigonométrique — et l'on affecte à chaque moment le signe correspondant. Ce choix est arbitraire, mais il doit être annoncé et tenu jusqu'au bout du raisonnement.

La condition d'équilibre

Un solide mobile autour d'un axe fixe est en équilibre lorsque la somme algébrique des moments de toutes les forces qui s'exercent sur lui est nulle.

Autrement dit, la somme des moments qui font tourner dans un sens égale la somme de ceux qui font tourner dans l'autre. C'est le théorème des moments, et c'est lui qui explique le fonctionnement d'une balance Roberval, d'un levier, d'une brouette ou d'une clé dynamométrique.

Ce que le théorème permet

Il rend possible ce qui paraît impossible : soulever une charge lourde avec une force faible, à condition de l'appliquer loin de l'axe. Le prix à payer est le déplacement — le point où l'on applique la petite force parcourt une distance bien plus grande. Rien ne se gagne sans contrepartie, et c'est déjà une manière de rencontrer la conservation de l'énergie.

📈 Figure clé

Exemple résolu 1

Énoncé. Une barre homogène repose sur un pivot. On accroche une masse produisant une force à à gauche de l'axe. Où faut-il placer une force à droite pour que la barre soit en équilibre ?

Résolution. On choisit le sens trigonométrique comme positif. Les deux forces étant verticales et la barre horizontale, les bras de levier sont directement les distances à l'axe.

La condition d'équilibre s'écrit , d'où :

La force la plus faible doit être placée plus loin : c'est cohérent.

Exemple résolu 2

Énoncé. Une force de est appliquée à l'extrémité d'une clé de , en faisant un angle de avec la clé. Calculer le moment exercé sur le boulon.

Résolution. La force n'étant pas perpendiculaire à la clé, le bras de levier n'est pas la longueur de la clé mais sa projection :

En tirant perpendiculairement à la clé, on obtiendrait : c'est toujours perpendiculairement qu'une clé est la plus efficace.

🔑 Formules clés à retenir

Formules essentielles

  • — moment d'une force par rapport à l'axe ; en N, en m, moment en .
  • est le bras de levier : distance de l'axe à la droite d'action, mesurée perpendiculairement.
  • Si la droite d'action passe par l'axe, alors et le moment est nul.
  • Condition d'équilibre : — somme algébrique, avec les signes.
  • Cas de deux forces : .
⚠️

Astuces & Pièges à éviter

Les erreurs classiques — à lire avant les exercices !

Pièges et réflexes

  • Le bras de levier n'est pas la distance au point d'application, mais à la DROITE d'action. Les deux coïncident seulement quand la force est perpendiculaire au segment qui la relie à l'axe.
  • Une force dont la droite passe par l'axe a un moment nul, aussi intense soit-elle. Elle ne participe pas à l'équilibre en rotation.
  • Annoncer le sens positif avant de compter, et s'y tenir. Changer de convention en cours de calcul inverse un signe et fausse tout.
  • Unité : le newton-mètre, jamais le newton. Un moment n'est pas une force.
  • Si la force n'est pas perpendiculaire à la barre, le bras de levier vaut et non : il faut projeter.

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