COURS DE MÉCANIQUE GÉNÉRALE, 3ÈME ANNÉE DES HUMANITÉS TECHNIQUES (1ÈRE ANNÉE OPTION PLOMBERIE)
Edition 2025 / Enseignement primaire, secondaire et technique en RDC
PRÉLIMINAIRES PÉDAGOGIQUES
0.1. Objectifs Généraux du Cours
Ce cours de Mécanique Générale a pour but de fournir aux élèves de l’option Plomberie les bases physiques indispensables à la compréhension des forces et des mouvements qui régissent les installations sanitaires et industrielles. L’enseignement vise à transformer l’observation empirique en analyse scientifique rigoureuse, permettant au futur technicien de dimensionner des supports, de choisir des moyens de levage adaptés et de comprendre le fonctionnement interne des machines tournantes comme les pompes et les compresseurs.
0.2. Compétences Visées
À l’issue de ce programme, l’apprenant maîtrise les lois fondamentales du mouvement et de l’équilibre. Il calcule les vitesses linéaires et angulaires des fluides et des pièces mobiles, détermine la puissance mécanique nécessaire au fonctionnement d’une installation de pompage et applique les principes de la statique pour assurer la stabilité des ouvrages. L’élève devient capable d’utiliser rationnellement les machines simples, tels que les palans et les leviers, pour manipuler des charges lourdes en toute sécurité sur les chantiers de construction.
0.3. Approche Méthodologique et Contextualisation
La méthodologie privilégie l’analyse concrète de situations rencontrées en République Démocratique du Congo. Les concepts abstraits de force et de moment s’illustrent par l’utilisation de la clé à griffe sur des tuyauteries en acier galvanisé ou par le levage de citernes dans les quartiers périphériques de Kinshasa. L’enseignement lie systématiquement la théorie mécanique à la pratique du métier, en insistant sur la rigueur des calculs et la compréhension des contraintes physiques subies par les matériaux et les équipements.
PARTIE I : CINÉMATIQUE ET ÉTUDE DES MOUVEMENTS 🚀
Cette première partie établit les fondements de l’étude du mouvement, indépendamment des causes qui le provoquent. Elle définit le langage précis de la mécanique et analyse les déplacements rectilignes et circulaires, omniprésents dans les systèmes de plomberie et les machines-outils. L’objectif consiste à doter l’élève des outils mathématiques pour décrire la position, la vitesse et l’accélération d’un corps dans l’espace.
Chapitre 1 : Généralités sur la Mécanique 🌐
1.1. Définition et Divisions de la Mécanique
La mécanique est la science qui étudie les mouvements, les déformations et les états d’équilibre des corps physiques. Ce sous-chapitre structure la discipline en trois branches principales : la cinématique (étude du mouvement pur), la dynamique (étude des forces causant le mouvement) et la statique (étude de l’équilibre). Cette distinction permet à l’élève de classer les problèmes techniques, qu’il s’agisse du dimensionnement d’un support fixe ou de l’analyse d’une turbine en rotation au barrage d’Inga.
1.2. Notions de Repos et de Mouvement
Le mouvement et le repos sont des concepts relatifs qui dépendent du référentiel choisi. Cette section explique qu’un tuyau fixé dans un camion en marche est immobile par rapport au véhicule mais en mouvement par rapport à la route. L’élève apprend à définir systématiquement le référentiel d’observation avant toute analyse, évitant les erreurs d’interprétation lors de l’étude de systèmes complexes comme les réseaux de tuyauterie embarqués sur des navires fluviaux.
1.3. La Trajectoire du Point Matériel
La trajectoire représente l’ensemble des positions successives occupées par un mobile au cours du temps. Ce module différencie les trajectoires rectilignes, circulaires et curvilignes quelconques. L’enseignant utilise des exemples locaux, tels que la trajectoire rectiligne d’un piston de pompe ou la courbe décrite par un jet d’eau sous pression, pour illustrer comment la forme géométrique du déplacement influence la conception des guidages mécaniques.
1.4. Classification des Mouvements
Les mouvements se classent selon la forme de la trajectoire et la variation de la vitesse. Ce point introduit les distinctions entre les mouvements de translation et de rotation. L’élève identifie les mouvements combinés, comme celui d’une vanne à volant montant, et comprend l’importance de cette classification pour choisir les lubrifiants et les types de paliers adaptés aux mécanismes sanitaires.
Chapitre 2 : Mouvements Rectilignes 📏
2.1. Mouvement Rectiligne Uniforme (MRU)
Le mouvement rectiligne uniforme se caractérise par une vitesse constante et une trajectoire droite. Ce sous-chapitre définit la vitesse comme le rapport de la distance sur le temps (). L’application pratique concerne l’écoulement laminaire de l’eau dans une conduite droite de grand diamètre ou le déplacement constant d’un convoyeur dans une usine d’embouteillage à Lubumbashi.
2.2. Mouvement Rectiligne Uniformément Accéléré (MRUA)
L’accélération constante modifie la vitesse de manière linéaire. Cette section présente les lois du MRUA, reliant la distance, la vitesse, l’accélération et le temps. L’élève étudie le démarrage d’un ascenseur ou la mise en pression progressive d’un réseau, apprenant à calculer les distances d’arrêt et les temps de réaction nécessaires pour la sécurité des systèmes automatisés.
2.3. Mouvement Rectiligne Retardé et Varié
Le freinage constitue un mouvement retardé essentiel à maîtriser. Ce module analyse la décélération et les mouvements variés où l’accélération change au cours du temps. L’étude de l’arrêt d’un flux liquide (coup de bélier) ou le ralentissement d’un treuil de chantier permet de comprendre les contraintes mécaniques générées par les variations brusques de vitesse.
2.4. La Chute Libre des Corps
La chute libre est un cas particulier de mouvement uniformément accéléré sous l’effet de la gravité. Ce point expose les lois de la pesanteur () en négligeant la résistance de l’air. L’élève calcule la vitesse d’impact d’un outil tombant d’un échafaudage ou la pression dynamique générée par une colonne d’eau verticale, liant la hauteur de chute à l’énergie cinétique acquise.
Chapitre 3 : Mouvements Circulaires et Variés 🎡
3.1. Mouvement Circulaire Uniforme (MCU)
La rotation à vitesse constante est le régime de fonctionnement normal des moteurs et turbines. Ce sous-chapitre définit la vitesse angulaire (en radians par seconde) et la fréquence de rotation (en tours par minute). L’élève apprend à convertir ces unités pour interpréter les plaques signalétiques des pompes centrifuges utilisées par la REGIDESO, reliant la vitesse de rotation au débit fourni.
3.2. Mouvement Circulaire Varié
Les phases de démarrage et d’arrêt des machines tournantes impliquent une accélération angulaire. Cette section étudie l’évolution de la vitesse de rotation dans le temps. La compréhension de ces phases transitoires est cruciale pour le dimensionnement des accouplements et des protections thermiques des moteurs électriques qui subissent des pics de courant lors de l’accélération.
3.3. Relation entre Vitesse Linéaire et Angulaire
La transmission du mouvement transforme souvent une rotation en translation ou inversement. Ce module établit la relation fondamentale . L’apprenant calcule la vitesse périphérique d’une meuleuse d’angle ou d’une courroie de ventilateur, donnée essentielle pour choisir des disques de coupe adaptés et sécurisés selon les normes industrielles.
3.4. Applications Cinématiques aux Organes de Machines
La cinématique s’applique concrètement aux mécanismes de transmission. Ce point final du chapitre analyse le fonctionnement des bielles-manivelles et des cames. L’élève décompose le mouvement complexe d’une pompe à piston, identifiant les points morts haut et bas et les phases d’aspiration et de refoulement, consolidant ainsi sa vision systémique des machines hydrauliques.
PARTIE II : DYNAMIQUE ET TRANSMISSION DE PUISSANCE ⚙️
Cette seconde partie explore les causes du mouvement et les moyens de le transmettre. Elle connecte la cinématique (le mouvement) aux forces (la dynamique) et à l’énergie. L’élève y découvre comment l’énergie est transférée du moteur vers l’outil via des mécanismes comme les engrenages et les poulies, et comment quantifier le travail mécanique nécessaire pour accomplir une tâche professionnelle, telle que l’élévation d’eau.
Chapitre 4 : Mécanismes de Transmission de Mouvement ⛓️
4.1. Roues à Friction et Adhérence
La transmission par contact direct repose sur l’adhérence. Ce sous-chapitre explique le principe des roues à friction, utilisé dans certains variateurs de vitesse ou dynamos. L’élève analyse les conditions de non-glissement et les limites de puissance transmissibles par ce procédé, comprenant pourquoi ce système est réservé aux faibles charges contrairement aux systèmes crantés.
4.2. Poulies et Courroies
Ce système est omniprésent dans les compresseurs et les bétonnières. Cette section détaille le calcul du rapport de transmission en fonction des diamètres des poulies motrices et réceptrices. L’enseignement aborde les types de courroies (plates, trapézoïdales) et les règles de tensionnement pour éviter le patinage, garantissant l’efficacité énergétique des équipements de chantier à Matadi ou ailleurs.
4.3. Roues Dentées et Engrenages
L’engrenage assure une transmission positive sans glissement. Ce module présente les différents types d’engrenages (droits, hélicoïdaux, coniques) et le calcul du rapport de vitesse basé sur le nombre de dents. L’élève apprend à déterminer le couple de sortie d’un réducteur de pression ou d’une visseuse électrique, comprenant le compromis inverse entre la vitesse de rotation et la force transmise.
4.4. Équipage de Poulies (Palans)
Le levage de charges lourdes requiert une démultiplication de l’effort. Ce point traite des palans à moufles et des treuils. L’apprenant calcule l’avantage mécanique théorique en fonction du nombre de brins de câble supportant la charge mobile, compétence vitale pour installer en sécurité des chaudières industrielles ou des groupes électrogènes dans des locaux techniques exigus.
Chapitre 5 : Dynamique et Inertie 🏋️
5.1. Principe d’Inertie (1ère Loi de Newton)
Tout corps persévère dans son état de repos ou de mouvement uniforme si aucune force n’agit sur lui. Ce sous-chapitre explique la résistance au changement de mouvement. L’élève applique ce concept pour comprendre pourquoi il est difficile de mettre en mouvement un grand réservoir d’eau ou de l’arrêter brusquement, phénomène à la base des chocs hydrauliques destructeurs.
5.2. Relation Fondamentale de la Dynamique (Force et Accélération)
La force est le produit de la masse par l’accélération (). Cette section quantifie l’effort nécessaire pour accélérer une masse donnée. Les exercices pratiques consistent à calculer la force de traction requise pour déplacer des tubes en fonte sur un chantier ou la puissance moteur nécessaire pour accélérer une colonne d’eau dans une conduite verticale.
5.3. Masse et Poids
La confusion entre masse et poids est une erreur fréquente. Ce module distingue la masse (quantité de matière invariable, en kg) du poids (force d’attraction terrestre, en Newton). L’élève apprend à utiliser la relation pour dimensionner les supports de tuyauterie capables de résister au poids des fluides transportés, particulièrement pour les installations suspendues en hauteur.
5.4. Action et Réaction (3ème Loi de Newton)
Toute action mécanique entraîne une réaction égale et opposée. Ce point final du chapitre illustre ce principe par le recul d’une lance à incendie ou la poussée exercée par l’eau sur les coudes de tuyauterie. L’apprenant comprend la nécessité de fixer solidement les butées en béton aux changements de direction des canalisations enterrées pour contrer ces forces de réaction.
Chapitre 6 : Énergie, Travail et Puissance ⚡
6.1. Le Travail Mécanique
Le travail est le produit d’une force par un déplacement. Ce sous-chapitre définit le Joule comme unité d’énergie. L’élève calcule le travail effectué pour monter des matériaux au troisième étage d’un immeuble en construction, reliant l’effort physique fourni à la distance parcourue, notion économique de base pour l’estimation de la main-d’œuvre.
6.2. La Puissance Mécanique
La puissance introduit le facteur temps dans le travail (). Cette section définit le Watt et le Cheval-vapeur. L’enseignement focalise sur le choix des moteurs : une pompe doit être assez puissante pour remplir un château d’eau dans un délai imparti. L’élève apprend à sélectionner un équipement en fonction de la courbe de puissance requise par l’application hydraulique.
6.3. Énergie Cinétique et Potentielle
L’énergie se présente sous forme de mouvement ou de position. Ce module explique l’énergie cinétique () des fluides en mouvement et l’énergie potentielle () de l’eau stockée en hauteur. Ces concepts sont fondamentaux pour comprendre le fonctionnement des barrages hydroélectriques ou simplement la pression disponible au robinet par gravité.
6.4. Conservation et Transformation de l’Énergie
L’énergie ne se perd pas, elle se transforme. Ce point aborde le rendement des machines et les pertes par frottement (chaleur). L’élève analyse le bilan énergétique d’une installation, comprenant qu’une partie de l’énergie électrique du moteur de pompe est perdue en chaleur et en bruit, nécessitant une maintenance régulière pour maintenir un rendement optimal.
PARTIE III : STATIQUE ET ÉQUILIBRE DES SYSTÈMES ⚖️
La troisième partie se concentre sur l’immobilité et la stabilité. Elle étudie les conditions nécessaires pour qu’un corps reste en équilibre sous l’action de plusieurs forces. Pour le plombier, c’est la science de la fixation, du supportage et de la sécurité des structures. Elle intègre également l’étude des machines simples qui utilisent l’équilibre statique pour amplifier les forces humaines.
Chapitre 7 : Les Forces et l’Équilibre Statique 🧱
7.1. Notion de Force et Vecteurs
Une force est caractérisée par son point d’application, sa direction, son sens et son intensité. Ce sous-chapitre enseigne la représentation vectorielle des forces. L’élève apprend à dessiner les forces agissant sur un tuyau (poids, réaction des supports, pression interne) pour visualiser les contraintes mécaniques avant tout calcul.
7.2. Composition et Décomposition des Forces
Les forces se combinent pour former une résultante. Cette section présente la méthode du parallélogramme et le polygone des forces. L’application pratique porte sur le calcul de la tension dans les élingues d’une grue soulevant une fosse septique préfabriquée, montrant comment l’angle d’élingage augmente la tension dans les câbles.
7.3. Les Principes de la Statique
Un corps est en équilibre si la somme des forces et la somme des moments sont nulles. Ce module énonce les conditions fondamentales de l’immobilité. L’élève utilise ces principes pour vérifier la stabilité d’un échafaudage ou le dimensionnement des chevilles de fixation d’un chauffe-eau mural, garantissant la sécurité des personnes et des biens.
7.4. La Force Centrifuge et l’Équilibre Dynamique
Bien que liée au mouvement, la force centrifuge est traitée ici comme une force d’inertie à équilibrer. Ce point explique les effets de la rotation sur les masses, comme le balourd dans une machine à laver ou les efforts sur les coudes de tuyauterie. L’élève comprend la nécessité de l’équilibrage des pièces tournantes pour éviter les vibrations destructrices dans les installations mécaniques.
Chapitre 8 : Moments et Centre de Gravité 🎯
8.1. Théorie des Moments
Le moment d’une force par rapport à un axe est sa capacité à provoquer une rotation (). Ce sous-chapitre est essentiel pour le plombier qui utilise quotidiennement des clés de serrage. L’élève comprend pourquoi l’utilisation d’une rallonge sur une clé augmente le couple de serrage mais aussi le risque de rupture du boulon ou du filetage.
8.2. Le Couple de Forces
Un couple est constitué de deux forces parallèles, égales et de sens opposés. Cette section définit l’action de vissage et de dévissage. L’enseignement applique la notion de couple aux moteurs électriques et aux vannes manuelles, expliquant comment appliquer un effort symétrique pour ne pas fausser les axes de commande.
8.3. Le Centre de Gravité : Définition et Recherche
Le centre de gravite est le point d’application de la résultante des forces de pesanteur. Ce module enseigne les méthodes géométriques pour trouver le centre de gravité des figures simples et composées. L’élève détermine le point d’élingage optimal d’une tuyauterie complexe préfabriquée pour qu’elle reste horizontale lors du levage.
8.4. Stabilité et Types d’Équilibre
L’équilibre peut être stable, instable ou indifférent. Ce point analyse la position du centre de gravité par rapport à la base de sustentation. L’apprenant étudie les risques de basculement des réservoirs sur tour ou des machines hautes, apprenant à élargir la base ou à abaisser le centre de gravité pour renforcer la stabilité des installations face au vent ou aux séismes.
Chapitre 9 : Les Machines Simples 🏗️
9.1. Le Levier et ses Applications
Le levier est la machine simple fondamentale. Ce sous-chapitre classe les leviers (inter-appui, inter-résistant, inter-moteur). L’élève identifie ces principes dans les outils courants : pince coupante, brouette, clé à molette. Il calcule les bras de levier nécessaires pour soulever une charge lourde avec un effort manuel limité.
9.2. Le Plan Incliné et le Coin
Monter une charge verticalement est difficile ; utiliser une rampe est plus aisé. Cette section analyse la décomposition des forces sur un plan incliné. L’application concerne le chargement de matériel lourd dans des camions ou l’utilisation de coins pour caler et mettre à niveau des appareils sanitaires avant leur fixation définitive.
9.3. La Vis et le Vérin
La vis transforme un mouvement de rotation en translation avec une grande amplification de force. Ce module étudie le principe de la vis sans fin et du cric à vis. L’élève comprend le fonctionnement des étaux d’établi et des vannes à opercule, où un faible couple de manœuvre génère une pression de fermeture colossale assurant l’étanchéité.
9.4. Treuils et Systèmes de Levage Combinés
Les chantiers modernes combinent plusieurs machines simples. Ce point final synthétise les connaissances sur les treuils manuels et électriques. L’apprenant analyse la sécurité des mécanismes anti-retour (cliquets) et dimensionne sommairement un système de levage pour une pompe immergée, intégrant les notions de force, de travail et de sécurité mécanique globale.
ANNEXES PÉDAGOGIQUES 📂
A.1. Formulaire de Mécanique Générale
Récapitulatif synthétique des formules essentielles (Vitesse, Accélération, Force, Travail, Puissance, Moment) avec les unités du Système International, servant d’aide-mémoire permanent pour la résolution des problèmes d’atelier.
A.2. Tableau des Coefficients de Frottement
Liste des coefficients de frottement usuels (Acier/Acier, Caoutchouc/Béton, Fonte/Sol) permettant d’estimer les forces nécessaires pour le glissement ou le déplacement de charges lourdes sur le chantier.
A.3. Guide de Sécurité pour le Levage
Fiche pratique illustrant les bonnes pratiques d’élingage, les angles de sécurité pour les câbles et les gestes de commandement standardisés pour les manœuvres de grue en RDC.
A.4. Abaques de Conversion d’Unités Mécaniques
Tableaux de conversion pour passer des anciennes unités (Cheval-vapeur, kg-force) aux unités SI (Watt, Newton), facilitant la lecture des notices techniques de machines importées ou anciennes.