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Équations dynamiques

Dans le document Simulation de chevelures virtuelles (Page 125-128)

i ∂u

i

t

ΛΛΛ u

i

(5.10b)

v

s

t

est le vecteur vitesse etΛΛΛ

s

t

le vecteur rotation instantanée de la tige au tempst et au

points.

3.2 Équations dynamiques

On considère une portion infinitésimale de la tige, comprise entre la section droite en s et la

section droite ens

δs, sur laquelle on applique le principe fondamental de la dynamique, à savoir la

conservation de la quantité de mouvement et la conservation du moment cinétique.

FIG. 5.5:Bilan des forces appliquées sur une portion infinitésimale de tige, comprise entre les sections droites s et sx δs.

Forces en présence

Soitρla masse volumique (constante) de la tige etSl’aire d’une section quelconque de la tige,

supposée constante le long de la tige. La portion infinitésimale de la tige considérée a donc pour

masseρSδs, et elle est soumise à deux types de forces :

– Une force extérieure à la tige (le poids ou le frottement de l’air par exemple), notéePδs, où

P désigne la densité linéique de la force appliquée sur la tige (force par unité de longueur,

exprimée en N

Q

m). Si on veut prendre en compte la gravité dans le modèle, on remplacera

doncPpar l’expressionρSggest le champ gravitationnel.

– Une force interne à la tige, qui est la force appliquée sur la portion de longueurδspar le reste

de la tige. La propriété suivante donne une expression pour cette force.

Propriété 5.1 SoitF

int

s

la force (en N) transmise à travers la section en s par la portion de la tige

située en s

%

s (à droite) sur la portion de la tige située en s

% !

s. AlorsF

int

s

δs

F

int

s

est la

force (en N) exercée sur la portion de la tige située entre les sections droites en s et en s

δs par le

reste de la tige.

Cette propriété se démontre facilement grâce aux principes de superposition des forces et

d’action-réaction. Noter que par le principe d’action-réaction, la force transmise à travers la section enspar la

portion de la tige située ens

% !

s(à gauche) est

F

int

s

(voir Figure 5.5).

Bilan de la quantité de mouvement

Le bilan de la quantité de mouvement sur une portionδsde la tige s’écrit donc :

ρSδs

2

r

t

2

s

t

F

int

s

δs

t

F

int

s

t

P

t

δs.

En divisant cette équation parδset en faisant tendreδsvers 0, on obtient alors l’équation

diffé-rentielle suivante pour la tige :

ρS

2

r

t

2

s

t

∂F

int

s

s

t

P

t

. (5.11)

Rappelons que F

int

s

désigne la force transmise à travers la section en s par la portion de la

tige située en s

%

s sur la portion de la tige située ens

%

!

s,Pdésigne la densité linéique de force

appliquée sur la tige,ρsa masse volumique, etSl’aire de sa section.

Moments en présence

Trois types de moments peuvent s’exercer sur la portion infinitésimale de la tige considérée :

– Un moment appliqué de l’extérieur sur la tige (par exemple, un couple appliqué sur le bout

libre par un objet extérieur), notéQδs, oùQdésigne la densité linéique du moment appliqué

sur la tige (moment par unité de longueur, exprimé enN). Dans la suite, on considérera qu’il

n’y a pas de moment appliqué de l’extérieur.

– Le moment résultant des forces extérieures appliquées sur la portion δs de la tige. La force

Pδsn’applique pas de moment puisqu’elle est répartie uniformément à l’intérieur de la portion

considérée, mais la force interne à la tigeF

int

s

δs

F

int

s

applique au pointr

G

, centre de

gravité du morceauδsde tige, le couple :

M

Fint

r

s

δs

r

GO

F

int

s

δs

r

s

r

GO ?

F

int

s

.

En effectuant les développements limités deretF

int

autour des, au second ordre,r

s

δs

r

s

δs

rs

o

δs

2

etF

int

s

δs

F

int

s

δs

Fint s

o

δs

2

, il vient :

M

Fint

r

s

r

GF ?

F

int

s

δs

F

int

s

δs∂r

s

s

o

δs

2 O H

F

int

s

δs

r

s

r

GF =y

δs∂F

int

s

s

o

δs

2 {z y

δs∂r

s

s

o

δs

2 {z2 ?

F

int

s

δs

.

Le termer

s

r

G

peut s’écrire, à un facteur multiplicatif constant près,δs

r

s

s

o

δs

2

(car

r

s

|(

r

G

), donc au premier ordre, il ne reste dans l’expression deM

Fint

que le second terme :

M

Fint(

δs∂r

s

s

O

F

int

s

δst

s

O

F

int

s

t

s

rs δs rs

δs

est le vecteur tangent à la tige ens(voir Figure 5.5).

– Le moment résultant des efforts de contact sur les sections droitessets

δs, appelé moment

interne. La propriété suivante donne une expression pour ce moment.

Propriété 5.2 SoitM

int

s

le moment (en N

m) transmis à travers la section en s par la portion de

la tige située en s

%

s sur la portion de la tige située en s

%

!

s. Alors M

int

s

δs

M

int

s

est le

moment (en N

m) exercé sur la portion de la tige située entre les sections droites en s et en s

δs par

le reste de la tige.

Équilibre des moments

Le théorème du moment cinétique indique qu’il y a égalité entre la dérivée temporelle du moment

cinétique du système par rapport à son centre de gravité, et la somme des moments extérieurs. Cet

équilibre des moments donne donc, sur la portionδsde tige considérée :

M

int

s

δs

t

M

int

s

t

t

s

t

O

F

int

s

t

δs

ρδs

}

∂ΛΛΛ

t

s

t

} dΛΛΛ

dt

représente la dérivée du moment cinétique de la portion de tigeδs, considérée comme un petit

solide cylindrique indéformable.ΛΛΛest le vecteur rotation instantanée de la tige ens, introduit dans

les équations (5.10), et

}

la matrice d’inertie de la portion de tigeδs. En fait, on montre que l’on peut

négliger le terme de droite de l’équation ci-dessus (approximation faite par Kirchhoff lui-même). En

effet,

}

vaut en ordre de grandeur a

4

(voir Section 3.4), où adésigne le rayon typique de la section

de la tige, et si l’on compare en ordre de grandeur le membre de droite de l’équation par rapport au

membre de gauche, on obtient :

ρ

N } ∂ΛΛΛ t N N

F

int N~

ρS a

2 Q

T

2

ρS L

g

~

a

2

L

2

aveca

€

L

T désigne un temps caractéristique, gl’accélération de la pesanteur, Lla longueur typique de la

tige, avecL

gT

2

. On a bien sûra

€

L, donc le terme d’inertie est bien négligeable dans

l’équa-tion des moments. On le prend égal à zéro dans la suite (on conservera un terme d’inertie non nul

uniquement dans l’équation des forces (5.11)).

En divisant l’équation précédente des moments par δs et en faisant tendre δsvers 0, on obtient

alors l’équation différentielle :

∂M

int

s

s

t

t

s

t

O

F

int

s

t

0 (5.12)

Rappelons queM

int

s

est le moment interne transmis à travers la section ensde la tige,F

int

s

la force interne transmise à travers la section ensde la tige, et t

s

le vecteur unitaire tangent à la

courbe moyenne de la tige ens.

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