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On
considère un cylindre homogène de rayon R et de masse M qui roule sans glisser
sur un plan incliné. Soit a l'angle du plan incliné
avec l'horizontale.
Le cylindre est soumis à son poids M.g et à la
réaction du support. Cette réaction se décompose en une composante normale
Fn au plan et une composante tangentielle Ft. On peut également décomposer
le poids en une composante normale et une composante tangentielle M.g.sina.
Soient G le centre de gravité du cylindre, A la trace de sa génératrice
en contact avec le plan, I = ½.M.R2 son moment d'inertie
par rapport à son axe de rotation, V la vitesse du centre de gravité
(qui est aussi la vitesse de translation du mobile) et w
la vitesse angulaire du cylindre.
La projection de l'équation du principe
fondamental sur un axe parallèle au plan donne :
M.dV/dt = M.g.sina
-Ft. (1)
Le théorème du moment cinétique donne :
I.dw/dt
= Ft.R (2)
La condition
de roulement sans glissement est que la vitesse du point A soit nulle.
Comme
la loi de composition vectorielle des vitesses est VA
= VG + AG ^ w,
la condition VA = 0 implique que VG = V = R.w.
(3)
A partir des relations (1), (2) et (3) établir
que dV/dt = g
= (2.g.sin a)
/3 et que l'intensité de la composante tangentielle de la réaction
du support est Ft = M.g. sin a /3.
Comparer
ces résultats avec ceux du plan incliné.
Remarque
:
Soit k la valeur du coefficient de frottement statique du cylindre
sur le plan. Pour qu'il n'y ait pas de glissement, il faut que Ft < k.Fn.
Comme Fn = M.g.cos a, l'angle d'inclinaison
du plan doit rester inférieur à b tel que tg
b = 3.k
L'Applet
:
Un click sur le bouton [Départ]
libère le mobile et déclenche le chronomètre. Celui-ci
s'arrête quand le mobile passe devant le détecteur rouge.
La
case à cocher permet l'affichage des principaux vecteurs du problème.
Vert
: Réaction du support. Bleu : composante tangentielle de la réaction. Violet
: Force de pesanteur. Rouge : Vecteur vitesse de translation.
Avec le curseur de
la souris, on peut modifier la position du détecteur de passage qui arrête le
chronomètre.
Pour plusieurs valeurs de a, vérifier que
le mouvement est uniformément accéléré (Vérifier que 2x/t2 est constant)
et vérifier que la valeur de l'accélération est bien égale à (2.g.sin
a ) /3.