MÉCANIQUE GÉNÉRALE
Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC.
PRÉLIMINAIRES
1. Objectifs Généraux du Cours 🎯
Ce cours établit les fondations de la mécanique classique, essentielles pour le futur technicien en électricité. L’objectif principal est de permettre à l’élève de comprendre et d’appliquer les lois fondamentales qui régissent l’équilibre des corps (statique) et leur mouvement (cinématique et dynamique). Au terme de ce module, l’apprenant sera capable d’analyser les forces agissant sur un système, de décrire une trajectoire, de calculer le travail et la puissance, et de comprendre le fonctionnement des mécanismes de base. Ces compétences sont indispensables pour l’installation, la maintenance et le dépannage des systèmes électromécaniques comme les moteurs, les générateurs et les automatismes industriels.
2. Approche Pédagogique Recommandée 🧑🏫
L’enseignement privilégiera une démarche inductive, partant d’observations expérimentales et de situations concrètes pour aboutir aux lois et modèles théoriques. Chaque chapitre intégrera des séances de travaux dirigés pour la résolution d’exercices, ainsi que des manipulations simples en laboratoire pour illustrer les principes. L’enseignant doit constamment faire le lien entre les concepts mécaniques et le domaine de l’électricité. Par exemple, l’étude du couple mécanique sera directement appliquée au couple moteur d’une machine électrique, et l’analyse des engrenages pourra illustrer la réduction de vitesse pour un convoyeur dans une usine de traitement de minerais à Kolwezi.
3. Prérequis du Cours 📚
Une maîtrise solide des outils mathématiques de base est requise, incluant l’algèbre, la géométrie plane et les premiers éléments de trigonométrie. L’élève doit être capable de résoudre des équations du premier et du second degré et de manipuler les vecteurs. Une familiarité avec le Système International d’unités (SI) est également nécessaire pour aborder les grandeurs physiques étudiées.
PARTIE 1 : OUTILS FONDAMENTAUX ET STATIQUE DU SOLIDE
Cette partie introductive dote l’élève des outils mathématiques et conceptuels indispensables à toute analyse mécanique. Elle se poursuit avec l’étude de la statique, la branche de la mécanique qui analyse les conditions d’équilibre des objets immobiles, une compétence cruciale pour la conception et l’installation de tout support ou structure.
Chapitre 1 : Grandeurs Physiques et Outils Vectoriels
1.1. Le Système International d’Unités (SI)
Ce sous-chapitre présente de manière rigoureuse les sept unités de base du Système International, en se concentrant sur le mètre (m), le kilogramme (kg) et la seconde (s), qui sont fondamentales en mécanique. L’importance de l’homogénéité des formules via l’analyse dimensionnelle est démontrée, assurant la cohérence des calculs techniques.
1.2. Grandeurs Scalaires et Vectorielles
La distinction fondamentale entre une grandeur scalaire (définie par un nombre, ex: la masse) et une grandeur vectorielle (définie par une direction, un sens et une magnitude, ex: la force) est établie. Cette conceptualisation est la clé de voûte de la mécanique.
1.3. Opérations sur les Vecteurs
Les opérations de base sur les vecteurs sont méthodiquement enseignées : l’addition (par la méthode du parallélogramme et la méthode analytique par décomposition), la soustraction et la multiplication par un scalaire. La maîtrise de ces outils est non négociable pour la suite du cours.
1.4. Décomposition de Vecteurs dans un Repère
La projection d’un vecteur sur les axes d’un repère cartésien (Oxy) est expliquée en utilisant les fonctions trigonométriques de base (sinus, cosinus). Cette technique permet de transformer un problème géométrique complexe en un ensemble de calculs algébriques simples.
Chapitre 2 : Le Concept de Force et de Moment
2.1. Définition et Caractéristiques d’une Force
Une force est modélisée comme l’action mécanique capable de créer ou de modifier un mouvement, ou de déformer un corps. Ses quatre caractéristiques (point d’application, direction, sens, intensité) sont définies et illustrées. Le Newton (N) est introduit comme son unité SI.
2.2. Les Différents Types de Forces
Une classification des forces est proposée : forces de contact (réaction d’un support, tension d’un câble) et forces à distance (poids, forces électromagnétiques). Des exemples concrets, comme le calcul du poids d’un transformateur à installer sur un poteau à Mbuji-Mayi, sont utilisés.
2.3. Le Moment d’une Force par Rapport à un Point
Le concept de moment est introduit comme la capacité d’une force à provoquer une rotation autour d’un point (pivot). Sa formule () et la règle du signe (convention horaire/anti-horaire) sont établies. Cette notion est essentielle pour comprendre les leviers et les couples.
2.4. Le Concept de Couple de Forces
Un couple est défini comme l’action simultanée de deux forces égales et opposées qui ne sont pas colinéaires, produisant une rotation pure sans translation. Son moment est calculé, une notion directement applicable au couple produit par le champ magnétique dans un moteur électrique.
Chapitre 3 : Équilibre d’un Solide Soumis à des Forces
3.1. Le Principe d’Inertie (Première Loi de Newton)
Le principe fondamental de la statique est énoncé : un corps reste au repos ou en mouvement rectiligne uniforme si la somme vectorielle des forces extérieures qui s’exercent sur lui est nulle. Cette condition est la base de toute l’analyse d’équilibre.
3.2. Équilibre d’un Point Matériel
Le cas d’un objet de petite dimension (assimilable à un point) est étudié. La condition d’équilibre () est appliquée graphiquement (dynamique des forces fermé) et analytiquement (somme des composantes sur chaque axe nulle) pour résoudre des problèmes de suspension ou de traction.
3.3. Équilibre d’un Solide Rigide
Pour un corps étendu, une deuxième condition s’ajoute : la somme des moments de toutes les forces par rapport à n’importe quel point doit être nulle (). Cela garantit l’absence de rotation. L’application à l’équilibre d’une poutre sur deux appuis est un exemple classique.
3.4. Le Centre de Gravité
Le centre de gravité (G) est défini comme le point d’application du poids d’un corps. Des méthodes pour déterminer sa position pour des formes géométriques simples (plaques, tiges) et des corps composés sont présentées. La connaissance de G est cruciale pour l’étude de la stabilité des objets.
PARTIE 2 : CINÉMATIQUE ET DYNAMIQUE DU POINT MATÉRIEL
Après avoir étudié les corps au repos, cette deuxième partie se consacre à la description du mouvement (cinématique) sans se préoccuper de ses causes, puis à l’analyse du lien entre les forces et le mouvement qu’elles produisent (dynamique). C’est le cœur de la mécanique prédictive.
Chapitre 4 : Cinématique du Mouvement Rectiligne
4.1. Position, Vitesse et Accélération
Les concepts fondamentaux de la cinématique sont définis : le vecteur position, la vitesse comme dérivée de la position par rapport au temps (décrivant la rapidité et la direction du mouvement), et l’accélération comme dérivée de la vitesse (décrivant comment le mouvement change).
4.2. Le Mouvement Rectiligne Uniforme (MRU)
Ce mouvement se caractérise par une vitesse constante et une accélération nulle. Les équations horaires () sont établies et les diagrammes de position, de vitesse et d’accélération en fonction du temps sont tracés et analysés.
4.3. Le Mouvement Rectiligne Uniformément Accéléré (MRUA)
Ce mouvement se caractérise par une accélération constante. Les équations horaires de la vitesse () et de la position () sont développées. Le cas de la chute libre des corps est étudié comme application directe.
4.4. Représentations Graphiques des Mouvements
La compétence d’interpréter les graphiques de mouvement est renforcée. L’élève apprend à déduire la vitesse à partir de la pente du graphique de position, et l’accélération à partir de la pente du graphique de vitesse. Le calcul de la distance parcourue par l’aire sous la courbe de vitesse est également démontré.
Chapitre 5 : Cinématique du Mouvement Circulaire
5.1. Grandeurs Angulaires
Pour décrire le mouvement de rotation, les grandeurs angulaires sont introduites : la position angulaire (), la vitesse angulaire () et l’accélération angulaire (). Les unités (radians, radians par seconde) sont précisées.
5.2. Le Mouvement Circulaire Uniforme (MCU)
Ce mouvement est celui d’un point décrivant un cercle à vitesse angulaire constante. La relation entre la vitesse linéaire (tangentielle) et la vitesse angulaire () est établie. La notion d’accélération centripète (), dirigée vers le centre et responsable du changement de direction, est introduite.
5.3. Le Mouvement Circulaire Uniformément Varié (MCUV)
Ce cas correspond à une rotation dont la vitesse angulaire varie de façon constante (accélération angulaire constante). Des équations similaires à celles du MRUA sont développées pour les grandeurs angulaires. Le démarrage d’un moteur électrique est un exemple parfait de ce type de mouvement.
5.4. Transmission de Mouvement de Rotation
Les principes de la transmission de mouvement entre deux arbres de rotation sont abordés : transmission par courroie et poulies, et transmission par engrenages. Les notions de rapport de transmission et de conservation de la vitesse linéaire au point de contact sont expliquées.
Chapitre 6 : Dynamique et Lois de Newton
6.1. Le Principe Fondamental de la Dynamique (Deuxième Loi de Newton)
La loi centrale de la dynamique est énoncée : la somme vectorielle des forces extérieures appliquées à un corps est égale au produit de sa masse par le vecteur accélération de son centre d’inertie (). Cette loi relie la cause (forces) à l’effet (accélération).
6.2. Le Principe des Actions Réciproques (Troisième Loi de Newton)
Ce principe stipule que si un corps A exerce une force sur un corps B, alors le corps B exerce sur le corps A une force de même intensité, de même direction mais de sens opposé. Cette loi est fondamentale pour comprendre les interactions, la propulsion et les réactions d’appui.
6.3. Application de la PFD aux Mouvements Rectilignes
La méthodologie de résolution de problèmes de dynamique est présentée : isoler le système, faire le bilan des forces, projeter la PFD sur un axe de mouvement. Des problèmes classiques comme le mouvement d’un objet sur un plan incliné sont résolus.
6.4. Application de la PFD au Mouvement Circulaire
Pour un objet en mouvement circulaire uniforme, l’application de la PFD montre que la force centripète nécessaire est la résultante des forces réelles appliquées à l’objet. L’exemple d’une masse tournant au bout d’un fil ou d’un véhicule dans un virage est analysé.
PARTIE 3 : TRAVAIL, ÉNERGIE ET APPLICATIONS MÉCANIQUES
Cette dernière partie unifie les concepts précédents à travers l’approche énergétique, qui offre une méthode de résolution de problèmes souvent plus simple que l’approche dynamique directe. Elle se conclut par une étude des mécanismes concrets qui appliquent tous les principes vus précédemment.
Chapitre 7 : Travail, Puissance et Énergie
7.1. Le Travail d’une Force
Le travail est défini comme l’énergie transférée par une force lorsque son point d’application se déplace. Le calcul du travail d’une force constante pour un déplacement rectiligne () est détaillé, en distinguant le travail moteur, résistant et nul.
7.2. La Puissance
La puissance est définie comme le travail effectué par unité de temps (), elle mesure la rapidité à laquelle une énergie est transférée. L’unité, le Watt (W), est introduite. Pour un mouvement de translation, la formule est démontrée.
7.3. L’Énergie Cinétique
L’énergie cinétique () est l’énergie que possède un corps du fait de son mouvement. Le théorème de l’énergie cinétique est énoncé : la variation d’énergie cinétique d’un solide est égale à la somme des travaux de toutes les forces (extérieures et intérieures) qui s’exercent sur lui.
7.4. L’Énergie Potentielle et l’Énergie Mécanique
L’énergie potentielle de pesanteur () est introduite comme l’énergie stockée par un corps du fait de son altitude. L’énergie mécanique totale () est définie et son principe de conservation en l’absence de frottements est expliqué, un outil puissant pour l’analyse de systèmes comme les barrages hydroélectriques du site d’Inga.
Chapitre 8 : Le Phénomène de Frottement
8.1. Frottement Statique et Cinétique
Le frottement est présenté comme une force de contact qui s’oppose au mouvement relatif entre deux surfaces. La distinction est faite entre le frottement statique (qui empêche le démarrage) et le frottement cinétique (qui freine un mouvement existant).
8.2. Lois du Frottement de Coulomb
Les lois empiriques du frottement solide sont présentées : la force de frottement est indépendante de l’aire de contact et de la vitesse (en première approximation), et elle est proportionnelle à la force de réaction normale (). Le coefficient de frottement () est défini.
8.3. Rôle du Frottement : Nuisance et Utilité
Le double visage du frottement est exploré. Il est souvent une nuisance (pertes d’énergie, usure des pièces mécaniques dans un groupe électrogène à la centrale de la Ruzizi), mais il est aussi indispensable pour de nombreuses applications (marche, freinage, courroies).
8.4. Notions de Lubrification
Pour réduire les frottements et l’usure, la lubrification est introduite. Les différents régimes (onctueux, hydrodynamique) et le rôle de l’huile ou de la graisse sont expliqués de manière qualitative, soulignant l’importance d’une bonne maintenance pour la durée de vie des machines.
Chapitre 9 : Étude des Mécanismes de Transmission
9.1. Les Leviers et les Balances
Le levier est étudié comme la machine simple la plus élémentaire, en appliquant le théorème des moments pour trouver sa condition d’équilibre. Les différents types de leviers et leur avantage mécanique sont illustrés.
9.2. Les Poulies et les Palans
L’utilisation des poulies (fixes et mobiles) pour changer la direction d’une force ou pour démultiplier l’effort est analysée. Le fonctionnement des palans est expliqué comme une association de poulies permettant de soulever de lourdes charges avec un effort réduit, une technique visible sur les chantiers de construction de Kinshasa.
9.3. Transmission par Courroies et Roues de Friction
La transmission de puissance entre deux arbres parallèles par l’adhérence d’une courroie ou le contact direct de roues de friction est détaillée. Le calcul du rapport de vitesse et les avantages (souplesse) et inconvénients (glissement) de ce système sont discutés.
9.4. Transmission par Engrenages et Crémaillère
La transmission par engrenages est présentée comme une solution précise et robuste, sans glissement. Les engrenages cylindriques à denture droite sont étudiés, en définissant le module et le rapport de transmission. Le système pignon-crémaillère est expliqué comme un moyen de transformer une rotation en translation.
ANNEXES
Cette section regroupe des informations de référence utiles. Elle contient un formulaire récapitulant les principales équations de la statique, de la cinématique et de la dynamique. Elle propose également des tableaux de valeurs pour les coefficients de frottement de matériaux courants et les moments d’inertie de solides usuels. Un lexique des termes techniques est inclus pour aider à la consolidation du vocabulaire scientifique et technique.